.NET進階篇06-async異步、thread多線程4

知識需要不斷積累、總結和沉澱，思考和寫作是成長的催化劑

梯子

一、鎖1、lock2、Interlocked3、Monitor4、SpinLock5、Mutex6、Semaphore7、Events1、AutoResetEvent2、ManualResetEvent3、ManualResetEventSlim8、ReaderWriterLock二、線程安全集合三、多線程模型1、同步編程模型SPM2、異步編程模型APM3、基於事件編程模型EAP4、基於任務編程模型TAP四、End

一、鎖

數據庫中也有鎖概念，行鎖，表鎖，事物鎖等，鎖的作用就是控制併發情況下數據的安全一致，使一個數據被操作時，其他併發線程等待。開發方面多線程並行編程訪問共享數據時，爲保證數據的一致安全，有時需要使用鎖來鎖定對象來達到同步

.NET中提供很多線程同步技術。有lock，Interlocked，Monitor等用於進程內同步鎖，Mutex互斥鎖，Semaphore信號量，Events，ReaderWriterLockSlim讀寫鎖等用於多個進程間的線程同步

1、lock

lock語句是設置對鎖定和解除鎖定的一種簡單方式，也是最常用的一種同步方式。lock用於鎖定一個引用類型字段，當線程執行到Lock處，會鎖定該字段，使之只有一個線程進入lock語句塊內，才lock語句結束位置再釋放鎖定，另一個線程纔可以進入。原理運用同步塊索引，感興趣可以研究下

lock (obj)
{
    //synchronized region
}

因爲只有一個線程可以進去，沒有併發，所以犧牲了性能，所以要儘量縮小lock的範圍，另一個建議是首選鎖一個私有變量，也就是SyncRoot模式，聲明一個syncRoot的私有object變量來進行鎖定，而不是使用lock(this)，因爲外面調用者也可能鎖定你這個對象的實例，但他並不知道你內部也使用了鎖，所以容易造成死鎖

private object syscRoot = new object();
public void DoThis()
{
    lock (syscRoot)
    {
        //同一個時間只有一個線程能到達這裏
    }
}

2、Interlocked

InterLoacked用於將變量的一些簡單操作原子化，也就是線程安全同步。我們常寫的i++就不是線程安全的，從內存中取值然後+1然後放回內存中，過程中很可能被其他線程打斷，比如在你+1後放回內存時，另一個線程已經先放回去了，也就不同步了。InerLocked類提供了以線程安全的方式遞增、遞減、交換、讀取值的方法
比如以下代替lock的遞增方式

int num = 0;
//lock (syscRoot)
//{
//    num++;
//}
num = Interlocked.Increment(ref num);

3、Monitor

上面lock就是Monitor的語法糖，通過編譯器編譯會生成Monitor的代碼，像下面這樣

lock (syscRoot)
{
    //synchronized region
}
//上面的lock鎖等同於下面Monitor
Monitor.Enter(syscRoot);
try
{
    //synchronized region
}
finally
{
    Monitor.Exit(syscRoot);
}

Monitor不同於Lock就是它還可以設置超時時間，不會無限制的等待下去。

bool lockTaken = false;
Monitor.TryEnter(syscRoot,500,ref lockTaken);
if (lockTaken)
{
    try
    {
        //synchronized region
    }
    finally
    {
        Monitor.Exit(syscRoot);
    }
}
else
{
}

4、SpinLock

SpinLock自旋鎖是一種用戶模式鎖。對了，插一嘴鎖分爲內核模式鎖和用戶模式鎖，內核模式就是在系統級別讓線程中斷，收到信號時再切回來繼續幹活，用戶模式就是通過一些cpu指定或則死循環讓線程一直運行着直到可用。各有優缺點吧，內核Cpu資源利用率高，但切換損耗，用戶模式就相反，如果鎖定時間較長，就會白白循環等待，後面就有混合模式鎖的出現了

如果有大量的鎖定，且鎖定時間非常短，SpinLock就很有用，用法和Monitor類似，Enter或TryEnter獲取鎖，Exit釋放鎖。IsHeld和IsHeldByCurrentThread指定它當前是否鎖定

另外SpinLock是個結構類型，所以注意拷貝賦值時會創建全新副本問題。必要時可按引用來傳遞

5、Mutex

Mutex互斥鎖提供跨多個進程同步一個類，定義互斥鎖的時候可以指定互斥鎖的名稱，這樣系統能夠識別，所以在另一個進程中定義的互斥，其他進程也是可以訪問到的，Mutex.OpenExisting()便可以得到。

bool createdNew = false;
Mutex mutex = new Mutex(false, "ProCharpMutex", out createdNew);
if (mutex.WaitOne())
{
    try
    {
        //synchronized region
    }
    finally
    {
        mutex.ReleaseMutex();
    }
}

介於此我們可以用來禁止一個應用程序啓動兩次，一般我們通過進程的名稱來判斷，這裏我們使用Mutex實現

bool createdNew = false;
Mutex mutex = new Mutex(false, "SingletonWinAppMutex", out createdNew);
if (!createdNew)
{
    MessageBox.Show("應用程序已經啓動過了");
    Application.Exit();
    return;
}

6、Semaphore

Semaphore信號量和互斥類似，區別是，信號量可以同時讓多個線程使用，是一種計數的互斥鎖定。通過計數允許同時有幾個線程訪問受保護的資源。也可以指定信號量名稱以使在多個進程間共享

Semaphore和上面Mutex都是繼承自WaitHandle基類，WaitHandle用於等待一個信號的設置，嗲用Wait，線程會等待接收一個與等待句柄相關的信號

SemaphoreSlim是對Semaphore的輕量替代版本(它不繼承WaitHandle)，SemaphoreSlim(int initialCount, int maxCount)構造函數可指定最大併發個數，然後在線程內通過SemaphoreSlim的Wait等到直到來接收信號是否可以進去受保護代碼塊了，最後記得要Release，不然下一個線程獲取不到准許進入的信號

7、Events

Events事件鎖不同於委託中的事件，在System.Threading命名空間下，用於系統範圍內的事件資源的同步，有AutoResetEvent自動事件鎖、ManualResetEvent手動事件鎖以及輕量版本ManualResetEventSlim

1、AutoResetEvent

AutoResetEvent也是繼承自waitHandle類的，也是通過WaitOne來等待直到有信號，它有兩種狀態：終止和非終止，可以調用set和reset方法使對象進入終止和非終止狀態。通俗點就是set有信號，另一個線程可以進入了，reset非終止無信息，其他線程就阻塞了。自動的意思就是一個線程進入了，自動Reset設置無信號了其他線程就進不去了。類似現實中的汽車收費口，一杆一車模式

private AutoResetEvent autoEvent = new AutoResetEvent(false);
public void DoThis()
{
    autoEvent.WaitOne();
    //執行同步代碼塊
    autoEvent.Set();
}

2、ManualResetEvent

手動事件鎖和自動的區別在於，手動事件鎖沒有信號時會阻塞一批線程的，有信號時，所有線程都運行，同時喚醒多個線程，除非手動Reset再阻塞，類似現實場景中火車道路口的柵欄，落杆攔截一批人，起杆則一批人蜂擁通過，用法和上面一樣，WaitOne等待信號，結束時通過Set來通知有信號了，可以通過了

3、ManualResetEventSlim

ManualResetEventSlim通過封裝 ManualResetEvent提供了自旋等待和內核等待的混合鎖模式。如果需要跨進程或者跨AppDomain的同步，那麼就必須使用ManualResetEvent。ManualResetEventSlim使用Wait來阻塞線程，支持任務的取消。和SemaphoreSlim的Wait一樣，內部先通過用戶模式自旋然後再通過內核模式效率更高。

8、ReaderWriterLock

ReaderWriterLock讀寫鎖不是從限定線程個數的角度來保護資源，而是按讀寫角度來區分，就是你可以鎖定當某一類線程（寫線程）中一個進入受保護資源時，另一類線程（讀線程）全部阻塞。如果沒有寫入線程鎖定資源，就允許多個讀取線程方法資源，但只能有一個寫入線程鎖定該資源

具體用法參考示例

// 創建讀寫鎖
ReaderWriterLock rwLock = new ReaderWriterLock();
// 當前線程獲取讀鎖，參數爲：超時值（毫秒）
rwLock.AcquireReaderLock(250);
// 判斷當前線程是否持有讀鎖
if (!rwLock.IsReaderLockHeld)
{
    return;
}
Console.WriteLine("拿到了讀鎖......");
// 將讀鎖升級爲寫鎖，鎖參數爲：超時值（毫秒）
LockCookie cookie = rwLock.UpgradeToWriterLock(250);
// 判斷當前線程是否持有寫鎖
if (rwLock.IsWriterLockHeld)
{
    Console.WriteLine("升級到了寫鎖......");
    // 將鎖還原到之前所的級別，也就是讀鎖
    rwLock.DowngradeFromWriterLock(ref cookie);
}
// 釋放讀鎖（減少鎖計數，直到計數達到零時，鎖被釋放）
rwLock.ReleaseReaderLock();
Console.WriteLine("順利執行完畢......");

// 當前線程獲取寫鎖，參數爲：超時值（毫秒）
rwLock.AcquireWriterLock(250);
// 判斷當前線程是否持有寫鎖
if (rwLock.IsWriterLockHeld)
{
    Console.WriteLine("拿到了寫鎖......");
    // 釋放寫鎖（將減少寫鎖計數，直到計數變爲零，釋放鎖）
    rwLock.ReleaseWriterLock();
}
// 釋放寫鎖（將減少寫鎖計數，直到計數變爲零，釋放鎖）
// 當前線程不持有鎖，會拋出異常
rwLock.ReleaseWriterLock();
Console.WriteLine("順利執行完畢......");
Console.ReadLine();

ReaderWriterLockSlim同樣是ReaderWriterLock的輕量優化版本，簡化了遞歸、升級和降級鎖定狀態的規則。
1. EnterWriteLock 進入寫模式鎖定狀態
2. EnterReadLock 進入讀模式鎖定狀態
3. EnterUpgradeableReadLock 進入可升級的讀模式鎖定狀態
並且三種鎖定模式都有超時機制、對應 Try… 方法，退出相應的模式則使用 Exit… 方法，而且所有的方法都必須是成對出現的

二、線程安全集合

並行環境下修改共享變量爲了保證資源安全，通常使用上面介紹的鎖或信號量來解決此問題。其實.NET也內置了一些線程安全的集合，使用他們就像使用單線程集合一樣。

類型	描述
BlockingCollection	提供針對實現 IProducerConsumerCollection 的任何類型的限制和阻塞功能。 有關詳細信息，請參閱BlockingCollection 概述。
ConcurrentDictionary<tkey,tvalue style="font-size: inherit; color: inherit; line-height: inherit; margin: 0px; padding: 0px;">	鍵/值對字典的線程安全實現。
ConcurrentQueue	FIFO（先進先出）隊列的線程安全實現。
ConcurrentStack	LIFO（後進先出）堆棧的線程安全實現。
ConcurrentBag	無序的元素集合的線程安全實現。
IProducerConsumerCollection	類型必須實現以在 BlockingCollection 中使用的接口。

三、多線程模型

1、同步編程模型SPM

2、異步編程模型APM

我們常見的XXBegin， XXEnd這兩個經典的配對方法就是異步的，Begin後會委託給線程池調用一個線程去執行。還有委託的BeginInvoke調用

FileStream fs = new FileStream("D:\\test.txt", FileMode.Open);
var bytes = new byte[fs.Length];
fs.BeginRead(bytes, 0, bytes.Length, (aysc) =>
{
    var num = fs.EndRead(aysc);
}, string.Empty);

3、基於事件編程模型EAP

WinFrom/WPF開發中的BackgroundWorker類就是異步事件模式的一種實現方案，RunWorkerAsync方法啓動與DoWork事件異步關聯的方法，工作完成後，就觸發RunWorkerCompleted事件，也支持CancelAysnc方法取消以及ReportProgress通知進度等。還又一個典型的就是WebClient

WebClient client = new WebClient();
client.DownloadDataCompleted += (sender,e)=> 
{
};
client.DownloadDataAsync(new Uri("https://www.baidu.com/"));

4、基於任務編程模型TAP

Task出來後，微軟就大力推廣基於Task的異步編程模型，APM和EAP都被包裝成Task使用。下面示例簡單用Task封裝上面的編程模型。WebClient的DownloadDataTaskAsync實現和示例中的類似，利用一個TaskCompletionSource包裝器包裝成Task

FileStream fs = new FileStream("D:\\test.txt", FileMode.Open);
var bytes = new byte[fs.Length];
var task = Task.Factory.FromAsync(fs.BeginRead, fs.EndRead, bytes, 0, bytes.Length, string.Empty);
var nums = task.Result;

Action action = () =>{ };
var task = Task.Factory.FromAsync(action.BeginInvoke, action.EndInvoke, string.Empty);

public static Task<int> GetTaskAsuc(string url)
{
    TaskCompletionSource<int> source = new TaskCompletionSource<int>();//包裝器
    WebClient client = new WebClient();
    client.DownloadDataCompleted += (sender, e) =>
    {
        try
        {
            source.TrySetResult(e.Result.Length);
        }
        catch (Exception ex)
        {
            source.TrySetException(ex);
        }
    };
    client.DownloadDataAsync(new Uri(url));
    return source.Task;
}

四、End

最近幾篇介紹瞭如何編寫多線程和多任務應用程序。在應用程序開發過程中要仔細規劃，太多的線程導致資源問題，太少則起不到大效果。多線程編程中一箇中肯的建議就是
儘量避免修改共享變量，使同步的要求變低。通過合理規劃可以減少大部分的同步複雜度。

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——GoodGoodStudy