C#多线程之线程同步篇1

　　在多线程（线程同步）中，我们将学习多线程中操作共享资源的技术，学习到的知识点如下所示：

• 执行基本的原子操作
• 使用Mutex构造
• 使用SemaphoreSlim构造
• 使用AutoResetEvent构造
• 使用ManualResetEventSlim构造
• 使用CountdownEvent构造
• 使用Barrier构造
• 使用ReaderWriterLockSlim构造
• 使用SpinWait构造

 一、执行基本的原子操作

　　在这一小节中，我们将学习如何在没有阻塞线程（blocking threads）发生的情况下，在一个对象上执行基本的原子操作并能阻止竞争条件（race condition）的发生。操作步骤如下所示：

1、使用Visual Studio 2015创建一个新的控制台应用程序。

2、双击打开“Program.cs”文件，编写代码如下所示：

using System;
using System.Threading;
using static System.Console;

namespace Recipe01
{
    abstract class CounterBase
    {
        public abstract void Increment();

        public abstract void Decrement();
    }

    class Counter : CounterBase
    {
        private int count;

        public int Count => count;

        public override void Increment()
        {
            count++;
        }

        public override void Decrement()
        {
            count--;
        }
    }

    class CounterNoLock : CounterBase
    {
        private int count;

        public int Count => count;

        public override void Increment()
        {
            Interlocked.Increment(ref count);
        }

        public override void Decrement()
        {
            Interlocked.Decrement(ref count);
        }
    }

    class Program
    {
        static void TestCounter(CounterBase c)
        {
            for (int i = 0; i < 100000; i++)
            {
                c.Increment();
                c.Decrement();
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            WriteLine("Incorrect counter");

            var c1 = new Counter();

            var t1 = new Thread(() => TestCounter(c1));
            var t2 = new Thread(() => TestCounter(c1));
            var t3 = new Thread(() => TestCounter(c1));
            t1.Start();
            t2.Start();
            t3.Start();
            t1.Join();
            t2.Join();
            t3.Join();

            WriteLine($"Total count: {c1.Count}");
            WriteLine("--------------------------");

            WriteLine("Correct counter");

            var c2 = new CounterNoLock();

            t1 = new Thread(() => TestCounter(c2));
            t2 = new Thread(() => TestCounter(c2));
            t3 = new Thread(() => TestCounter(c2));
            t1.Start();
            t2.Start();
            t3.Start();
            t1.Join();
            t2.Join();
            t3.Join();

            WriteLine($"Total count: {c2.Count}");
        }
    }
}

3、运行该控制台应用程序，运行效果（每次运行效果可能不同）如下图所示：

　　在第63行代码处，我们创建了一个非线程安全的Counter类的一个对象c1，由于它是非线程安全的，因此会发生竞争条件（race condition）。

　　在第65~67行代码处，我们创建了三个线程来运行c1对象的“TestCounter”方法，在该方法中，我们按顺序对c1对象的count变量执行自增和自减操作。由于c1不是线程安全的，因此在这种情况下，我们得到的counter值是不确定的，我们可以得到0值，但多运行几次，多数情况下会得到不是0值得错误结果。

　　在多线程（基础篇）中，我们使用lock关键字锁定对象来解决这个问题，但是使用lock关键字会造成其他线程的阻塞。但是，在本示例中我们没有使用lock关键字，而是使用了Interlocked构造，它对于基本的数学操作提供了自增（Increment）、自减（Decrement）以及其他一些方法。

二、使用Mutex构造

 　　在这一小节中，我们将学习如何使用Mutex构造同步两个单独的程序，即进程间的同步。具体步骤如下所示：

1、使用Visual Studio 2015创建一个新的控制台应用程序。

2、双击打开“Program.cs”文件，编写代码如下所示：

using System;
using System.Threading;
using static System.Console;

namespace Recipe02
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            const string MutexName = "Multithreading";

            using (var m = new Mutex(false, MutexName))
            {
                // WaitOne方法的作用是阻止当前线程，直到收到其他实例释放的处理信号。
                // 第一个参数是等待超时时间，第二个是否退出上下文同步域。
                if (!m.WaitOne(TimeSpan.FromSeconds(10), false))
                {
                    WriteLine("Second instance is running!");
                    ReadLine();
                }
                else
                {
                    WriteLine("Running!");
                    ReadLine();
                    // 释放互斥资源
                    m.ReleaseMutex();
                }
            }

            ReadLine();
        }
    }
}

3、编译代码，执行两次该程序，运行效果如下所示：

第一种情况的运行结果：

第二种情况的运行结果：

　　在第11行代码处，我们定义了一个mutex（互斥量）的名称为“Multithreading”，并在第13行代码处将其传递给了Mutex类的构造方法，该构造方法的第一个参数initialOwner我们赋值为false，这允许程序获得一个已经被创建的mutex。如果没有任何线程锁定互斥资源，程序只简单地显示“Running”，然后等待按下任何键以释放互斥资源。

　　如果我们启动该程序的第二个实例，如果在10秒内我们没有在第一个实例下按下任何按钮以释放互斥资源，那么在第二个实例中就会显示“Second instance is running!”，如第一种情况的运行结果所示。如果在10内我们在第一个实例中按下任何键以释放互斥资源，那么在第二个实例中就会显示“Running”，如第二种情况的运行结果所示。

三、使用SemaphoreSlim构造

　　在这一小节中，我们将学习如何在SemaphoreSlim构造的帮助下，限制同时访问资源的线程数量。具体步骤如下所示：

1、使用Visual Studio 2015创建一个新的控制台应用程序。

2、双击打开“Program.cs”文件，编写代码如下所示：

using System;
using System.Threading;
using static System.Console;
using static System.Threading.Thread;

namespace Recipe03
{
    class Program
    {
        static SemaphoreSlim semaphore = new SemaphoreSlim(4);

        static void AccessDatabase(string name, int seconds)
        {
            WriteLine($"{name} waits to access a database");
            semaphore.Wait();
            WriteLine($"{name} was granted an access to a database");
            Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
            WriteLine($"{name} is completed");
            semaphore.Release();
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            for(int i = 1; i <= 6; i++)
            {
                string threadName = "Thread" + i;
                int secondsToWait = 2 + 2 * i;
                var t = new Thread(() => AccessDatabase(threadName, secondsToWait));
                t.Start();
            }
        }
    }
}

3、运行该控制台应用程序，运行效果（每次运行效果可能不同）如下图所示：

 

　　在第10行代码处，我们创建了一个SemaphoreSlim的实例，并对该构造方法传递了参数4，该参数指定了可以有多少个线程同时访问资源。然后，我们启动了6个不同名字的线程。每个线程都试着获取对数据库的访问，但是，我们限制了最多只有4个线程可以访问数据库，因此，当4个线程访问数据库后，其他2个线程必须等待，直到其他线程完成其工作后，调用“Release”方法释放资源之后才能访问数据库。