C#多線程編程實例實戰

C#多線程編程實例實戰

　　單個寫入程序/多個閱讀程序在.Net類庫中其實已經提供了實現，即System.Threading.ReaderWriterLock類。本文經過對常見的單個寫入/多個閱讀程序的分析來探索c#的多線程編程。
問題的提出
　　 所謂單個寫入程序/多個閱讀程序的線程同步問題，是指任意數量的線程訪問共享資源時，寫入程序（線程）須要修改共享資源，而閱讀程序（線程）須要讀取數據。在這個同步問題中，很容易獲得下面二個要求：
　　 1） 當一個線程正在寫入數據時，其餘線程不能寫，也不能讀。
　　 2） 當一個線程正在讀入數據時，其餘線程不能寫，但可以讀。
　　 在數據庫應用程序環境中常常遇到這樣的問題。好比說，有n個最終用戶，他們都要同時訪問同一個數據庫。其中有m個用戶要將數據存入數據庫，n-m個用戶要讀取數據庫中的記錄。
　　 很顯然，在這個環境中，咱們不能讓兩個或兩個以上的用戶同時更新同一條記錄，若是兩個或兩個以上的用戶都試圖同時修改同一記錄，那麼該記錄中的信息就會被破壞。
　　 咱們也不讓一個用戶更新數據庫記錄的同時，讓另外一用戶讀取記錄的內容。由於讀取的記錄頗有可能同時包含了更新和沒有更新的信息，也就是說這條記錄是無效的記錄。
實現分析
　　 規定任一線程要對資源進行寫或讀操做前必須申請鎖。根據操做的不一樣，分爲閱讀鎖和寫入鎖，操做完成以後應釋放相應的鎖。將單個寫入程序/多個閱讀程序的要求改變一下，能夠獲得以下的形式：
　　 一個線程申請閱讀鎖的成功條件是：當前沒有活動的寫入線程。
　　 一個線程申請寫入鎖的成功條件是：當前沒有任何活動（對鎖而言）的線程。 　　 所以，爲了標誌是否有活動的線程，以及是寫入仍是閱讀線程，引入一個變量m_nActive，若是m_nActive > 0，則表示當前活動閱讀線程的數目，若是m_nActive=0，則表示沒有任何活動線程，m_nActive <0，表示當前有寫入線程在活動，注意m_nActive<0，時只能取-1的值，由於只容許有一個寫入線程活動。
　　 爲了判斷當前活動線程擁有的鎖的類型，咱們採用了線程局部存儲技術（請參閱其它參考書籍），將線程與特殊標誌位關聯起來。
　　 申請閱讀鎖的函數原型爲：public void AcquireReaderLock( int millisecondsTimeout )，其中的參數爲線程等待調度的時間。函數定義以下：

public void AcquireReaderLock( int millisecondsTimeout ) { // m_mutext 很快能夠獲得，以便進入臨界區 m_mutex.WaitOne( ); // 是否有寫入線程存在 bool bExistingWriter = ( m_nActive < 0 ); if( bExistingWriter ) { //等待閱讀線程數目加1,當有鎖釋放時，根據此數目來調度線程 m_nWaitingReaders++; } else { //當前活動線程加 1 m_nActive++; } m_mutex.ReleaseMutex(); //存儲鎖標誌爲Reader System.LocalDataStoreSlot slot = Thread.GetNamedDataSlot(m_strThreadSlotName); object obj = Thread.GetData( slot ); LockFlags flag = LockFlags.None; if( obj != null ) flag = (LockFlags)obj ; if( flag == LockFlags.None ) { Thread.SetData( slot, LockFlags.Reader ); } else { Thread.SetData( slot, (LockFlags)((int)flag | (int)LockFlags.Reader ) ); } if( bExistingWriter ) { //等待指定的時間 this.m_aeReaders.WaitOne( millisecondsTimeout, true ); } }

　　 它首先進入臨界區（用以在多線程環境下保證活動線程數目的操做的正確性）判斷當前活動線程的數目，若是有寫線程(m_nActive<0)存在，則等待指定的時間而且等待的閱讀線程數目加1。若是當前活動線程是讀線程(m_nActive>=0)，則可讓讀線程繼續運行。
　　 申請寫入鎖的函數原型爲：public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout )，其中的參數爲等待調度的時間。函數定義以下：

public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout ) { // m_mutext 很快能夠獲得，以便進入臨界區 m_mutex.WaitOne( ); // 是否有活動線程存在 bool bNoActive = m_nActive == 0; if( !bNoActive ) { m_nWaitingWriters++; } else { m_nActive--; } m_mutex.ReleaseMutex(); //存儲線程鎖標誌 System.LocalDataStoreSlot slot = Thread.GetNamedDataSlot( "myReaderWriterLockDataSlot" ); object obj = Thread.GetData( slot ); LockFlags flag = LockFlags.None; if( obj != null ) flag = (LockFlags)Thread.GetData( slot ); if( flag == LockFlags.None ) { Thread.SetData( slot, LockFlags.Writer ); } else { Thread.SetData( slot, (LockFlags)((int)flag | (int)LockFlags.Writer ) ); } //若是有活動線程，等待指定的時間 if( !bNoActive ) this.m_aeWriters.WaitOne( millisecondsTimeout, true ); }

　　 它首先進入臨界區判斷當前活動線程的數目，若是當前有活動線程存在，無論是寫線程仍是讀線程（m_nActive），線程將等待指定的時間而且等待的寫入線程數目加1，不然線程擁有寫的權限。

　　 釋放閱讀鎖的函數原型爲：public void ReleaseReaderLock()。函數定義以下：

public void ReleaseReaderLock() { System.LocalDataStoreSlot slot = Thread.GetNamedDataSlot(m_strThreadSlotName ); LockFlags flag = (LockFlags)Thread.GetData( slot ); if( flag == LockFlags.None ) { return; } bool bReader = true; switch( flag ) { case LockFlags.None: break; case LockFlags.Writer: bReader = false; break; } if( !bReader ) return; Thread.SetData( slot, LockFlags.None ); m_mutex.WaitOne(); AutoResetEvent autoresetevent = null; this.m_nActive --; if( this.m_nActive == 0 ) { if( this.m_nWaitingReaders > 0 ) { m_nActive ++ ; m_nWaitingReaders --; autoresetevent = this.m_aeReaders; } else if( this.m_nWaitingWriters > 0) { m_nWaitingWriters--; m_nActive --; autoresetevent = this.m_aeWriters ; } } m_mutex.ReleaseMutex(); if( autoresetevent != null ) autoresetevent.Set(); }

　　 釋放閱讀鎖時，首先判斷當前線程是否擁有閱讀鎖（經過線程局部存儲的標誌），而後判斷是否有等待的閱讀線程，若是有，先將當前活動線程加1，等待閱讀線程數目減1，而後置事件爲有信號。若是沒有等待的閱讀線程，判斷是否有等待的寫入線程，若是有則活動線程數目減1，等待的寫入線程數目減1。釋放寫入鎖與釋放閱讀鎖的過程基本一致，能夠參看源代碼。

　　 注意在程序中，釋放鎖時，只會喚醒一個閱讀程序，這是由於使用AutoResetEvent的原歷，讀者可自行將其改爲ManualResetEvent，同時喚醒多個閱讀程序，此時應令m_nActive等於整個等待的閱讀線程數目。

測試 
測試程序取自.Net FrameSDK中的一個例子，只是稍作修改。測試程序以下，

using System; using System.Threading; using MyThreading; class Resource { myReaderWriterLock rwl = new myReaderWriterLock(); public void Read(Int32 threadNum) { rwl.AcquireReaderLock(Timeout.Infinite); try { Console.WriteLine("Start Resource reading (Thread={0})", threadNum); Thread.Sleep(250); Console.WriteLine("Stop Resource reading (Thread={0})", threadNum); } finally { rwl.ReleaseReaderLock(); } } public void Write(Int32 threadNum) { rwl.AcquireWriterLock(Timeout.Infinite); try { Console.WriteLine("Start Resource writing (Thread={0})", threadNum); Thread.Sleep(750); Console.WriteLine("Stop Resource writing (Thread={0})", threadNum); } finally { rwl.ReleaseWriterLock(); } } } class App { static Int32 numAsyncOps = 20; static AutoResetEvent asyncOpsAreDone = new AutoResetEvent(false); static Resource res = new Resource(); public static void Main() { for (Int32 threadNum = 0; threadNum < 20; threadNum++) { ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(UpdateResource), threadNum); } asyncOpsAreDone.WaitOne(); Console.WriteLine("All operations have completed."); Console.ReadLine(); } // The callback method's signature MUST match that of a System.Threading.TimerCallback // delegate (it takes an Object parameter and returns void) static void UpdateResource(Object state) { Int32 threadNum = (Int32) state; if ((threadNum % 2) != 0) res.Read(threadNum); else res.Write(threadNum); if (Interlocked.Decrement(ref numAsyncOps) == 0) asyncOpsAreDone.Set(); } }

　　 從測試結果中能夠看出，能夠知足單個寫入程序\多個閱讀程序的實現要求。