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。本文通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。 <?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />
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）需要修改共享資源，而閱讀程序（線程）需要讀取數據。在這個同步問題中，很容易得到下面二個要求：
1） 當一個線程正在寫入數據時，其他線程不能寫，也不能讀。
2） 當一個線程正在讀入數據時，其他線程不能寫，但能夠讀。
在數據庫應用程序環境中經常遇到這樣的問題。比如說，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，我們不能讓兩個或兩個以上的用戶同時更新同一條記錄，如果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。
我們也不讓一個用戶更新數據庫記錄的同時，讓另一用戶讀取記錄的內容。因爲讀取的記錄很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作前必須申請鎖。根據操作的不同，分爲閱讀鎖和寫入鎖，操作完成之後應釋放相應的鎖。將單個寫入程序/多個閱讀程序的要求改變一下，可以得到如下的形式：
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。
因此，爲了標誌是否有活動的線程，以及是寫入還是閱讀線程，引入一個變量m_nActive，如果m_nActive > 0，則表示當前活動閱讀線程的數目，如果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，因爲只允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，我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。函數定義如下：
public void AcquireReaderLock( int millisecondsTimeout )
{
// m_mutext很快可以得到，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作的正確性）判斷當前活動線程的數目，如果有寫線程(m_nActive<0)存在，則等待指定的時間並且等待的閱讀線程數目加1。如果當前活動線程是讀線程(m_nActive>=0)，則可以讓讀線程繼續運行。
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。函數定義如下：
public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout )
{
// m_mutext很快可以得到，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 ) );
}
//如果有活動線程，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，如果當前有活動線程存在，不管是寫線程還是讀線程（m_nActive），線程將等待指定的時間並且等待的寫入線程數目加1，否則線程擁有寫的權限。
釋放閱讀鎖的函數原型爲：public void ReleaseReaderLock()。函數定義如下：
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（通過線程局部存儲的標誌），然後判斷是否有等待的閱讀線程，如果有，先將當前活動線程加1，等待閱讀線程數目減1，然後置事件爲有信號。如果沒有等待的閱讀線程，判斷是否有等待的寫入線程，如果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，可以參看源代碼。
注意在程序中，釋放鎖時，只會喚醒一個閱讀程序，這是因爲使用AutoResetEvent的原歷，讀者可自行將其改成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，只是稍做修改。測試程序如下，
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();
}
}
從測試結果中可以看出，可以滿足單個寫入程序/多個閱讀程序的實現要求。