C#中的多线程超时处理实践

最近我正在处理C＃中关于timeout行为的一些bug。解决方案非常有意思，所以我在这里分享给广大博友们。

我要处理的是下面这些情况：

我们做了一个应用程序，程序中有这么一个模块，它的功能向用户显示一个消息对话框，15秒后再自动关闭该对话框。但是，如果用户手动关闭对话框，则在timeout时我们无需做任何处理。
程序中有一个漫长的执行操作。如果该操作持续5秒钟以上，那么请终止这个操作。
我们的的应用程序中有执行时间未知的操作。当执行时间过长时，我们需要显示一个“进行中”弹出窗口来提示用户耐心等待。我们无法预估这次操作会持续多久，但一般情况下会持续不到一秒。为了避免弹出窗口一闪而过，我们只想要在1秒后显示这个弹出窗口。反之，如果在1秒内操作完成，则不需要显示这个弹出窗口。

这些问题是相似的。在超时之后，我们必须执行X操作，除非Y在那个时候发生。

为了找到解决这些问题的办法，我在试验过程中创建了一个类：

public class OperationHandler
{
    private IOperation _operation;
    
    public OperationHandler(IOperation operation)
    {
    	_operation = operation;
    }    
    public void StartWithTimeout(int timeoutMillis)
    {
     	//在超时后需要调用 "_operation.DoOperation()" 
    }    
    public void StopOperationIfNotStartedYet()
    {
    	//在超时期间需要停止"DoOperation" 
    }
}

我的操作类：

public class MyOperation : IOperation
{
	public void DoOperation()
	{
		Console.WriteLine("Operation started");
	}
}
public class MyOperation : IOperation
{
	public void DoOperation()
	{
		Console.WriteLine("Operation started");
	}
}

我的测试程序：

static void Main(string[] args)
{
	var op = new MyOperation();
	var handler = new OperationHandler(op);
	Console.WriteLine("Starting with timeout of 5 seconds");
	handler.StartWithTimeout(5 * 1000);
	Thread.Sleep(6 * 1000);
	
	Console.WriteLine("Starting with timeout of 5 but cancelling after 2 seconds");
	handler.StartWithTimeout(5 * 1000);
	Thread.Sleep(2 * 1000);
	handler.StopOperationIfNotStartedYet();
	
	Thread.Sleep(4 * 1000);
	Console.WriteLine("Finished...");
	Console.ReadLine();
}

结果应该是：

Starting with timeout of 5 seconds Operation started Starting with timeout of 5 but cancelling after 2 seconds Finished...

现在我们可以开始试验了!

解决方案1：在另一个线程上休眠

我最初的计划是在另一个不同的线程上休眠，同时用一个布尔值来标记Stop是否被调用。

public class OperationHandler
{
    private IOperation _operation;
    private bool _stopCalled;

    public OperationHandler(IOperation operation)
    {
        _operation = operation;
    }
    public void StartWithTimeout(int timeoutMillis)
    {
        Task.Factory.StartNew(() =>
        {
            _stopCalled = false;
            Thread.Sleep(timeoutMillis);
            if (!_stopCalled)
                _operation.DoOperation();
        });
    }
    public void StopOperationIfNotStartedYet()
    {
        _stopCalled = true;
    }
}

针对正常的线程执行步骤，这段代码运行过程并没有出现问题，但是总是感觉有些别扭。仔细探究后，我发现其中有一些猫腻。首先，在超时期间，有一个线程从线程池中取出后什么都没做，显然这个线程是被浪费了。其次，如果程序停止执行了，线程会继续休眠直到超时结束，浪费了CPU时间。

但是这些并不是我们这段代码最糟糕的事情，实际上我们的程序实还存在一个明显的bug：

如果我们设置10秒的超时时间，开始操作后，2秒停止，然后在2秒内再次开始。
当第二次启动时，我们的_stopCalled标志将变成false。然后，当我们的第一个Thread.Sleep()完成时，即使我们取消它，它也会调用DoOperation。
之后，第二个Thread.Sleep()完成，并将第二次调用DoOperation。结果导致DoOperation被调用两次，这显然不是我们所期望的。

如果你每分钟有100次这样的超时，我将很难捕捉到这种错误。

当StopOperationIfNotStartedYet被调用时，我们需要某种方式来取消DoOperation的调用。

如果我们尝试使用计时器呢？

解决方案2：使用计时器

.NET中有三种不同类型的记时器，分别是：

System.Windows.Forms命名空间下的Timer控件，它直接继承自Componet。
System.Timers命名空间下的Timer类。
System.Threading.Timer类。

这三种计时器中，System.Threading.Timer足以满足我们的需求。这里是使用Timer的代码：

public class OperationHandler
{
    private IOperation _operation;
    private Timer _timer;

    public OperationHandler(IOperation operation)
    {
        _operation = operation;
    }
    public void StartWithTimeout(int timeoutMillis)
    {
        if (_timer != null)
            return;

        _timer = new Timer(
            state =>
            {
                _operation.DoOperation();
                DisposeOfTimer();
            }, null, timeoutMillis, timeoutMillis);
    }        
    public void StopOperationIfNotStartedYet()
    {
        DisposeOfTimer();
    }
    private void DisposeOfTimer()
    {
        if (_timer == null)
            return;
        var temp = _timer;
        _timer = null;
        temp.Dispose();
    }
}

执行结果如下：

Starting with timeout of 5 seconds Operation started Starting with timeout of 5 but cancelling after 2 seconds Finished...

现在当我们停止操作时，定时器被丢弃，这样就避免了再次执行操作。这已经实现了我们最初的想法，当然还有另一种方式来处理这个问题。

解决方案3：ManualResetEvent或AutoResetEvent

ManualResetEvent/AutoResetEvent的字面意思是手动或自动重置事件。AutoResetEvent和ManualResetEvent是帮助您处理多线程通信的类。基本思想是一个线程可以一直等待，知道另一个线程完成某个操作，然后等待的线程可以“释放”并继续运行。
ManualResetEvent类和AutoResetEvent类请参阅MSDN：
ManualResetEvent类：https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/system.threading.manualresetevent.aspx
AutoResetEvent类：https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/system.threading.autoresetevent.aspx

言归正传，在本例中，直到手动重置事件信号出现，mre.WaitOne()会一直等待。 mre.Set()将标记重置事件信号。 ManualResetEvent将释放当前正在等待的所有线程。AutoResetEvent将只释放一个等待的线程，并立即变为无信号。WaitOne()也可以接受超时作为参数。如果Set()在超时期间未被调用，则线程被释放并且WaitOne()返回False。
以下是此功能的实现代码：

public class OperationHandler
{
    private IOperation _operation;
    private ManualResetEvent _mre = new ManualResetEvent(false);

    public OperationHandler(IOperation operation)
    {
        _operation = operation;
    }
    public void StartWithTimeout(int timeoutMillis)
    {
        _mre.Reset();
        Task.Factory.StartNew(() =>
        {
            bool wasStopped = _mre.WaitOne(timeoutMillis);
            if (!wasStopped)
                _operation.DoOperation();
        });
    }        
    public void StopOperationIfNotStartedYet()
    {
        _mre.Set();
    }
}

执行结果:

Starting with timeout of 5 seconds Operation started Starting with timeout of 5 but cancelling after 2 seconds Finished...

我个人非常倾向于这个解决方案，它比我们使用Timer的解决方案更干净简洁。
对于我们提出的简单功能，ManualResetEvent和Timer解决方案都可以正常工作。现在让我们增加点挑战性。

新的改进需求

假设我们现在可以连续多次调用StartWithTimeout()，而不是等待第一个超时完成后调用。

但是这里的预期行为是什么？实际上存在以下几种可能性：

在以前的StartWithTimeout超时期间调用StartWithTimeout时：忽略第二次启动。
在以前的StartWithTimeout超时期间调用StartWithTimeout时：停止初始话Start并使用新的StartWithTimeout。
在以前的StartWithTimeout超时期间调用StartWithTimeout时：在两个启动中调用DoOperation。在StopOperationIfNotStartedYet中停止所有尚未开始的操作（在超时时间内）。
在以前的StartWithTimeout超时期间调用StartWithTimeout时：在两个启动中调用DoOperation。在StopOperationIfNotStartedYet停止一个尚未开始的随机操作。

可能性1可以通过Timer和ManualResetEvent可以轻松实现。事实上，我们已经在我们的Timer解决方案中涉及到了这个。

public void StartWithTimeout(int timeoutMillis)
{
    if (_timer != null)
    return;
    ...
    
    public void StartWithTimeout(int timeoutMillis)
    {
    if (_timer != null)
    return;
    ...
}

可能性2也可以很容易地实现。这个地方请允许我卖个萌，代码自己写哈^_

可能性3不可能通过使用Timer来实现。我们将需要有一个定时器的集合。一旦停止操作，我们需要检查并处理定时器集合中的所有子项。这种方法是可行的，但通过ManualResetEvent我们可以非常简洁和轻松的实现这一点！

可能性4跟可能性3相似，可以通过定时器的集合来实现。

可能性3：使用单个ManualResetEvent停止所有操作

让我们了解一下这里面遇到的难点：
假设我们调用StartWithTimeout 10秒超时。
1秒后，我们再次调用另一个StartWithTimeout，超时时间为10秒。
再过1秒后，我们再次调用另一个StartWithTimeout，超时时间为10秒。

预期的行为是这3个操作会依次10秒、11秒和12秒后启动。

如果5秒后我们会调用Stop()，那么预期的行为就是所有正在等待的操作都会停止, 后续的操作也无法进行。

我稍微改变下Program.cs，以便能够测试这个操作过程。这是新的代码：

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        var op = new MyOperation();
        var handler = new OperationHandler(op);

        Console.WriteLine("Starting with timeout of 10 seconds, 3 times");
        handler.StartWithTimeout(10 * 1000);
        Thread.Sleep(1000);
        handler.StartWithTimeout(10 * 1000);
        Thread.Sleep(1000);
        handler.StartWithTimeout(10 * 1000);

        Thread.Sleep(13 * 1000);

        Console.WriteLine("Starting with timeout of 10 seconds 3 times, but cancelling after 5 seconds");
        handler.StartWithTimeout(10 * 1000);
        Thread.Sleep(1000);
        handler.StartWithTimeout(10 * 1000);
        Thread.Sleep(1000);
        handler.StartWithTimeout(10 * 1000);

        Thread.Sleep(5 * 1000);
        handler.StopOperationIfNotStartedYet();

        Thread.Sleep(8 * 1000);
        Console.WriteLine("Finished...");
        Console.ReadLine();
    }
}

下面就是使用ManualResetEvent的解决方案：

public class OperationHandler
{
    private IOperation _operation;
    private ManualResetEvent _mre = new ManualResetEvent(false);

    public OperationHandler(IOperation operation)
    {
        _operation = operation;
    }
    public void StartWithTimeout(int timeoutMillis)
    {
        Task.Factory.StartNew(() =>
        {
            bool wasStopped = _mre.WaitOne(timeoutMillis);
            if (!wasStopped)
                _operation.DoOperation();
        });
    }        
    public void StopOperationIfNotStartedYet()
    {
        Task.Factory.StartNew(() =>
        {
            _mre.Set();
            Thread.Sleep(10);//This is necessary because if calling Reset() immediately, not all waiting threads will 'proceed'
            _mre.Reset();
        });
    }
}

输出结果跟预想的一样：

Starting with timeout of 10 seconds, 3 times Operation started Operation started Operation started Starting with timeout of 10 seconds 3 times, but cancelling after 5 seconds Finished...

很开森对不对？

当我检查这段代码时，我发现Thread.Sleep（10）是必不可少的，这显然超出了我的意料。如果没有它，除3个等待中的线程之外，只有1-2个线程正在进行。很明显的是，因为Reset()发生得太快，第三个线程将停留在WaitOne()上。

**可能性4：单个AutoResetEvent停止一个随机操作 **

假设我们调用StartWithTimeout 10秒超时。1秒后，我们再次调用另一个StartWithTimeout，超时时间为10秒。再过1秒后，我们再次调用另一个StartWithTimeout，超时时间为10秒。然后我们调用StopOperationIfNotStartedYet()。

目前有3个操作超时，等待启动。预期的行为是其中一个被停止，其他2个操作应该能够正常启动。

我们的Program.cs可以像以前一样保持不变。 OperationHandler做了一些调整：

public class OperationHandler
{
    private IOperation _operation;
    private AutoResetEvent _are = new AutoResetEvent(false);

    public OperationHandler(IOperation operation)
    {
        _operation = operation;
    }
    public void StartWithTimeout(int timeoutMillis)
    {
        _are.Reset();
        Task.Factory.StartNew(() =>
        {
            bool wasStopped = _are.WaitOne(timeoutMillis);
            if (!wasStopped)
                _operation.DoOperation();
        });
    }        
    public void StopOperationIfNotStartedYet()
    {
        _are.Set();
    }
}

执行结果是：

Starting with timeout of 10 seconds, 3 times Operation started Operation started Operation started Starting with timeout of 10 seconds 3 times, but cancelling after 5 seconds Operation started Operation started Finished...

结语

在处理线程通信时，超时后继续执行某些操作是常见的应用。我们尝试了一些很好的解决方案。一些解决方案可能看起来不错，甚至可以在特定的流程下工作，但是也有可能在代码中隐藏着致命的bug。当这种情况发生时，我们应对时需要特别小心。

AutoResetEvent和ManualResetEvent是非常强大的类，我在处理线程通信时一直使用它们。这两个类非常实用。正在跟线程通信打交道的朋友们，快把它们加入到项目里面吧！

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