C#線程學習筆記四：線程同步

    本筆記摘抄自：https://www.cnblogs.com/zhili/archive/2012/07/21/ThreadsSynchronous.html，記錄一下學習過程以備後續查用。

    1、線程同步概述

    建立多線程來實現讓咱們可以更好地響應應用程序，然而當咱們建立了多個線程時，就存在多個線程同時訪問一個共享資源的狀況。此時，咱們就須要用到線程同步。線程同

步能夠防止數據（共享資源）的損壞。

    通常來講，設計應用程序應儘可能避免使用線程同步， 由於線程同步會產生一些問題：

    1.一、它的使用比較繁瑣。咱們須要用額外的代碼，把多個線程同時訪問的數據包圍起來，並獲取和釋放一個線程同步鎖。若是有一個代碼塊忘記獲取鎖，就有可能形成數據損壞。

    1.二、使用線程同步會影響性能。

        1.2.一、獲取和釋放一個鎖是須要時間的，咱們在決定哪一個線程先獲取鎖的時候，CPU要進行協調，這些額外的工做就會對性能形成影響。

        1.2.二、線程同步一次只容許一個線程訪問資源，這樣就會阻塞線程，而阻塞線程會形成更多的線程被建立。這樣CPU就有可能要調度更多的線程，從而對性能形成影響。 

    2、線程同步使用

    2.1 使用鎖對性能的影響

    1.2.1描述過使用鎖會對性能產生影響，下面經過比較使用鎖和不使用鎖消耗的時間來講明這點：

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            #region 線程同步：使用與不使用鎖的耗時對比
            int x = 0;
            //迭代500萬次
            const int iterationNumber = 5000000;

            //不使用鎖
            Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
            for (int i = 0; i < iterationNumber; i++)
            {
                x++;
            }
            Console.WriteLine("Total time consuming is:{0}ms.", sw.ElapsedMilliseconds);

            sw.Restart();
            //使用鎖
            for (int i = 0; i < iterationNumber; i++)
            {
                Interlocked.Increment(ref x);
            }

            Console.WriteLine("Total time consuming is:{0}ms.", sw.ElapsedMilliseconds);
            Console.Read();
            #endregion
        }
    }

    運行結果以下：

    2.2 Interlocked實現線程同步

    Interlocked爲多個線程共享變量提供了原子操做，當咱們在多線程中對一個整數進行遞增操做時，就須要實現線程同步。

    下面代碼演示加鎖與不加鎖的區別：

    不加鎖：

    class Program
    {
        //共享資源
        public static int number = 0;

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 線程同步：使用Interlocked實現線程同步
            //不加鎖
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                Thread thread = new Thread(Add);
                thread.Start();
            }
            Console.Read();
            #endregion
        }

        /// <summary>
        /// 遞增不加鎖
        /// </summary>
        public static void Add()
        {
            Thread.Sleep(1000);
            Console.WriteLine("The current value of number is:{0}", ++number);
        }
    }

    運行結果以下：

    結果與預期可能不太同樣。爲了解決這樣的問題，咱們能夠經過使用 Interlocked.Increment方法來實現自增操做。

    實現原理：相似銀行叫號，當有空號且號碼是本身的，才能去辦理相關的業務，不然繼續等待。

    加鎖：

    class Program
    {
        //共享資源
        public static int number = 0;
        public static long signal = 0;

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 線程同步：使用Interlocked實現線程同步
            //加鎖
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                Thread thread = new Thread(new ParameterizedThreadStart(AddWithInterlocked));
                thread.Start(i);
            }
            Console.Read();
            #endregion
        }

        /// <summary>
        /// 遞增長Interlocked鎖
        /// </summary>
        public static void AddWithInterlocked(object parameter)
        {
            while (Interlocked.Read(ref signal) != 0 || (int)parameter != number)
            {
                Thread.Sleep(100);
            }

            Interlocked.Increment(ref signal);
            Console.WriteLine("The current value of number is:{0}", ++number);
            Interlocked.Decrement(ref signal);
        }
    }

    運行結果以下：

    2.3 Monitor實現線程同步

    對於上面那個狀況，也能夠經過Monitor.Enter和Monitor.Exit方法來實現線程同步。

    C#中經過lock關鍵字來提供簡化的語法(lock能夠理解爲Monitor.Enter和Monitor.Exit方法的語法糖)。

    class Program
    {
        //共享資源
        public static int number = 0;
        private static readonly object addLock = new object();

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 線程同步：使用Monitor實現線程同步
            //非語法糖
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                Thread thread = new Thread(AddWithMonitor);
                thread.Start();
            }
            Console.Read();
            //語法糖
            //for (int i = 0; i < 10; i++)
            //{
            //    Thread thread = new Thread(AddWithLock);
            //    thread.Start();
            //}
            //Console.Read();
            #endregion
        }
        
        /// <summary>
        /// 遞增長Monitor鎖
        /// </summary>
        public static void AddWithMonitor()
        {
            Thread.Sleep(100);
            Monitor.Enter(addLock);
            Console.WriteLine("The current value of number is:{0}", ++number);
            Monitor.Exit(addLock);
        }

        /// <summary>
        /// 遞增長Lock鎖
        /// </summary>
        public static void AddWithLock()
        {
            Thread.Sleep(100);
            lock (addLock)
            {
                Console.WriteLine("The current value of number is:{0}", ++number);
            }
        }
    }

    運行結果以下：

    接上面的addLock鎖(如下描述爲obj鎖)，順便學習一下Monitor類的原理：

    Monitor在鎖對象obj上會維持兩個線程隊列R和W以及一個引用T ：

    (1)T是對當前得到了obj鎖的線程的引用。

    (2) R爲就緒隊列。

　R隊列上的線程，是已經準備好了去競爭獲取obj鎖的線程。    

    線程可經過調用Monitor.Enter(obj)或Monitor.TryEnter(obj)而直接進入R隊列，可經過調用Monitor.Exit(obj)或Monitor.Wait(obj)釋放其所得到的obj鎖。

    當obj鎖被某個線程釋放後，這個隊列上的線程就會去競爭obj鎖，而得到obj鎖的線程將被T引用。

    (3) W爲等待隊列。

    W隊列上的線程，是不會被OS直接調度執行的線程。也就是說，等待隊列上的線程不能去得到obj鎖。

    線程可經過調用Monitor.Wait(obj)而直接進入W隊列，可經過調用Monitor.Pulse(obj)或Monitor.PulseAll(obj)將W隊列中的第一個等待線程或全部等待線程移至R隊列，

這時被移至R隊列的這些線程就有機會被OS直接調度執行，也就是能夠去競爭obj鎖。

    (4)Monitor的成員方法。

    Monitor.Enter(obj)/Monitor.TryEnter(obj) ：線程會進入R隊列以等待獲取obj鎖

    Monitor.Exit(obj) ：線程釋放obj鎖（只有獲取了obj鎖的線程才能執行Monitor.Exit(obj)）

    Monitor.Wait(obj)： 線程釋放當前得到的obj鎖，而後進入W隊列並阻塞。

    Monitor.Pulse(obj) ：將W隊列中的第一個等待線程移至R隊列中以使第一個線程有機會獲取obj鎖。

    Monitor.PulseAll(obj)：將W隊列中的全部等待線程移至R隊列以使得這些線程有機會得到obj鎖。

    下面代碼演示Monitor.Wait及Monitor.Pulse的使用：

    class Program
    {
        //共享資源
        private static readonly object addLock = new object();

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 線程同步：Monitor.Wait與Monitor.Pulse的使用
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                Thread thread = new Thread(MonitorWaitAndPulse);
                thread.Start();
            }
            Console.Read();
            #endregion
        }

        /// <summary>
        /// Monitor中的Wait與Pulse方法
        /// </summary>
        public static void MonitorWaitAndPulse()
        {
            //進入就緒隊列等待獲取鎖資源
            Monitor.Enter(addLock);
            //進來打聲招呼
            Console.WriteLine("{0}：我來了，臨時要出去辦一下事。", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            //喚醒等待隊列中的第一個線程進入就緒隊列
            Monitor.Pulse(addLock);
            //暫時釋放鎖資源進入等待隊列
            Monitor.Wait(addLock);
            //出去辦事
            Thread.Sleep(1000);
            //回來打聲招呼
            Console.WriteLine("{0}：我回來了。", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);
            //釋放鎖資源
            Monitor.Exit(addLock);
        }
    }

    運行結果以下：

    2.4 ReaderWriterLock實現線程同步

    若是咱們須要對一個共享資源執行屢次讀取時，用前面所講的類實現的同步鎖都僅容許一個線程進行訪問，而其它線程將被阻塞。因爲只是進行讀取操做，實際上是沒有必要

堵塞其餘的線程， 應該讓它們併發的執行。

    此時，可經過ReaderWriterLock類來實現並行讀取。

    class Program
    {
        //建立對象
        public static List<int> lists = new List<int>();
        public static ReaderWriterLock readerWriteLock = new ReaderWriterLock();

        static void Main(string[] args)
        {
            #region 線程同步：使用ReaderWriterLock實現線程同步
            //建立一個線程讀取數據
            Thread threadWrite = new Thread(Write);
            threadWrite.Start();
            //建立10個線程讀取數據
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                Thread threadRead = new Thread(Read);
                threadRead.Start();
            }

            Console.Read();
            #endregion
        }

        /// <summary>
        /// 寫入方法
        /// </summary>
        public static void Write()
        {
            //獲取寫入鎖，以10毫秒爲超時。
            readerWriteLock.AcquireWriterLock(10);
            Random ran = new Random();
            int count = ran.Next(1, 10);
            lists.Add(count);
            Console.WriteLine("Write the data is:" + count);
            //釋放寫入鎖
            readerWriteLock.ReleaseWriterLock();
        }

        /// <summary>
        /// 讀取方法
        /// </summary>
        public static void Read()
        {
            Thread.Sleep(100);
            //獲取讀取鎖
            readerWriteLock.AcquireReaderLock(10);

            foreach (int list in lists)
            {
                //輸出讀取的數據
                Console.WriteLine(list);
            }

            // 釋放讀取鎖
            readerWriteLock.ReleaseReaderLock();
        }
    }

    運行結果以下：