隨著對(duì)多線程學(xué)習(xí)的深入,你可能覺得需要了解一些有關(guān)線程共享資源的問題. .NET framework提供了很多的類和數(shù)據(jù)類型來控制對(duì)共享資源的訪問。
考慮一種我們經(jīng)常遇到的情況：有一些全局變量和共享的類變量，我們需要從不同的線程來更新它們，可以通過使用System.Threading.Interlocked類完成這樣的任務(wù)，它提供了原子的，非模塊化的整數(shù)更新操作。
還有你可以使用System.Threading.Monitor類鎖定對(duì)象的方法的一段代碼，使其暫時(shí)不能被別的線程訪問。
System.Threading.WaitHandle類的實(shí)例可以用來封裝等待對(duì)共享資源的獨(dú)占訪問權(quán)的操作系統(tǒng)特定的對(duì)象。尤其對(duì)于非受管代碼的互操作問題。
System.Threading.Mutex用于對(duì)多個(gè)復(fù)雜的線程同步的問題，它也允許單線程的訪問。
像ManualResetEvent和AutoResetEvent這樣的同步事件類支持一個(gè)類通知其他事件的線程。
不討論線程的同步問題，等于對(duì)多線程編程知之甚少，但是我們要十分謹(jǐn)慎的使用多線程的同步。在使用線程同步時(shí)，我們事先就要要能夠正確的確定是那個(gè)對(duì)象和方法有可能造成死鎖（死鎖就是所有的線程都停止了相應(yīng)，都在等者對(duì)方釋放資源）。還有贓數(shù)據(jù)的問題（指的是同一時(shí)間多個(gè)線程對(duì)數(shù)據(jù)作了操作而造成的不一致），這個(gè)不容易理解，這么說吧，有X和Y兩個(gè)線程，線程X從文件讀取數(shù)據(jù)并且寫數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，線程Y從這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)讀數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)送到其他的計(jì)算機(jī)。假設(shè)在Y讀數(shù)據(jù)的同時(shí)，X寫入數(shù)據(jù)，那么顯然Y讀取的數(shù)據(jù)與實(shí)際存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是不一致的。這種情況顯然是我們應(yīng)該避免發(fā)生的。少量的線程將使得剛才的問題發(fā)生的幾率要少的多，對(duì)共享資源的訪問也更好的同步。
.NET Framework的CLR提供了三種方法來完成對(duì)共享資源 ，諸如全局變量域，特定的代碼段，靜態(tài)的和實(shí)例化的方法和域。
（1） 代碼域同步：使用Monitor類可以同步靜態(tài)/實(shí)例化的方法的全部代碼或者部分代碼段。不支持靜態(tài)域的同步。在實(shí)例化的方法中，this指針用于同步；而在靜態(tài)的方法中，類用于同步，這在后面會(huì)講到。
（2） 手工同步：使用不同的同步類（諸如WaitHandle, Mutex, ReaderWriterLock, ManualResetEvent, AutoResetEvent 和Interlocked等）創(chuàng)建自己的同步機(jī)制。這種同步方式要求你自己手動(dòng)的為不同的域和方法同步，這種同步方式也可以用于進(jìn)程間的同步和對(duì)共享資源的等待而造成的死鎖解除。
（3） 上下文同步：使用SynchronizationAttribute為ContextBoundObject對(duì)象創(chuàng)建簡(jiǎn)單的，自動(dòng)的同步。這種同步方式僅用于實(shí)例化的方法和域的同步。所有在同一個(gè)上下文域的對(duì)象共享同一個(gè)鎖。
Monitor Class
在給定的時(shí)間和指定的代碼段只能被一個(gè)線程訪問，Monitor 類非常適合于這種情況的線程同步。這個(gè)類中的方法都是靜態(tài)的，所以不需要實(shí)例化這個(gè)類。下面一些靜態(tài)的方法提供了一種機(jī)制用來同步對(duì)象的訪問從而避免死鎖和維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性。
Monitor.Enter 方法：在指定對(duì)象上獲取排他鎖。
Monitor.TryEnter 方法：試圖獲取指定對(duì)象的排他鎖。
Monitor.Exit 方法：釋放指定對(duì)象上的排他鎖。
Monitor.Wait 方法：釋放對(duì)象上的鎖并阻塞當(dāng)前線程，直到它重新獲取該鎖。
Monitor.Pulse 方法：通知等待隊(duì)列中的線程鎖定對(duì)象狀態(tài)的更改。
Monitor.PulseAll 方法：通知所有的等待線程對(duì)象狀態(tài)的更改。
通過對(duì)指定對(duì)象的加鎖和解鎖可以同步代碼段的訪問。Monitor.Enter, Monitor.TryEnter 和 Monitor.Exit用來對(duì)指定對(duì)象的加鎖和解鎖。一旦獲取（調(diào)用了Monitor.Enter）指定對(duì)象（代碼段）的鎖，其他的線程都不能獲取該鎖。舉個(gè)例子來說吧，線程X獲得了一個(gè)對(duì)象鎖，這個(gè)對(duì)象鎖可以釋放的（調(diào)用Monitor.Exit(object) or Monitor.Wait）。當(dāng)這個(gè)對(duì)象鎖被釋放后，Monitor.Pulse方法和 Monitor.PulseAll方法通知就緒隊(duì)列的下一個(gè)線程進(jìn)行和其他所有就緒隊(duì)列的線程將有機(jī)會(huì)獲取排他鎖。線程X釋放了鎖而線程Y獲得了鎖，同時(shí)調(diào)用Monitor.Wait的線程X進(jìn)入等待隊(duì)列。當(dāng)從當(dāng)前鎖定對(duì)象的線程（線程Y）受到了Pulse或PulseAll，等待隊(duì)列的線程就進(jìn)入就緒隊(duì)列。線程X重新得到對(duì)象鎖時(shí)，Monitor.Wait才返回。如果擁有鎖的線程（線程Y）不調(diào)用Pulse或PulseAll，方法可能被不確定的鎖定。Pulse, PulseAll and Wait必須是被同步的代碼段鄂被調(diào)用。對(duì)每一個(gè)同步的對(duì)象，你需要有當(dāng)前擁有鎖的線程的指針，就緒隊(duì)列和等待隊(duì)列（包含需要被通知鎖定對(duì)象的狀態(tài)變化的線程）的指針。
你也許會(huì)問，當(dāng)兩個(gè)線程同時(shí)調(diào)用Monitor.Enter會(huì)發(fā)生什么事情？無論這兩個(gè)線程地調(diào)用Monitor.Enter是多么地接近，實(shí)際上肯定有一個(gè)在前，一個(gè)在后，因此永遠(yuǎn)只會(huì)有一個(gè)獲得對(duì)象鎖。既然Monitor.Enter是原子操作，那么CPU是不可能偏好一個(gè)線程而不喜歡另外一個(gè)線程的。為了獲取更好的性能，你應(yīng)該延遲后一個(gè)線程的獲取鎖調(diào)用和立即釋放前一個(gè)線程的對(duì)象鎖。對(duì)于private和internal的對(duì)象，加鎖是可行的，但是對(duì)于external對(duì)象有可能導(dǎo)致死鎖，因?yàn)椴幌嚓P(guān)的代碼可能因?yàn)椴煌哪康亩鴮?duì)同一個(gè)對(duì)象加鎖。
如果你要對(duì)一段代碼加鎖，最好的是在try語句里面加入設(shè)置鎖的語句，而將Monitor.Exit放在finally語句里面。對(duì)于整個(gè)代碼段的加鎖，你可以使用MethodImplAttribute（在System.Runtime.CompilerServices命名空間）類在其構(gòu)造器中設(shè)置同步值。這是一種可以替代的方法，當(dāng)加鎖的方法返回時(shí)，鎖也就被釋放了。如果需要要很快釋放鎖，你可以使用Monitor類和C# lock的聲明代替上述的方法。
讓我們來看一段使用Monitor類的代碼：
public void some_method()
{
int a=100;
int b=0;
Monitor.Enter(this);
//say we do something here.
int c=a/b;
Monitor.Exit(this);
}
上面的代碼運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生問題。當(dāng)代碼運(yùn)行到int c=a/b; 的時(shí)候，會(huì)拋出一個(gè)異常，Monitor.Exit將不會(huì)返回。因此這段程序?qū)炱穑渌木€程也將得不到鎖。有兩種方法可以解決上面的問題。第一個(gè)方法是：將代碼放入try…finally內(nèi)，在finally調(diào)用Monitor.Exit，這樣的話最后一定會(huì)釋放鎖。第二種方法是：利用C#的lock（）方法。調(diào)用這個(gè)方法和調(diào)用Monitoy.Enter的作用效果是一樣的。但是這種方法一旦代碼執(zhí)行超出范圍，釋放鎖將不會(huì)自動(dòng)的發(fā)生。見下面的代碼:
public void some_method()
{
int a=100;
int b=0;
lock(this);
//say we do something here.
int c=a/b;
}
C# lock申明提供了與Monitoy.Enter和Monitoy.Exit同樣的功能，這種方法用在你的代碼段不能被其他獨(dú)立的線程中斷的情況。
WaitHandle Class
WaitHandle類作為基類來使用的，它允許多個(gè)等待操作。這個(gè)類封裝了win32的同步處理方法。WaitHandle對(duì)象通知其他的線程它需要對(duì)資源排他性的訪問，其他的線程必須等待，直到WaitHandle不再使用資源和等待句柄沒有被使用。下面是從它繼承來的幾個(gè)類：
Mutex 類：同步基元也可用于進(jìn)程間同步。
AutoResetEvent：通知一個(gè)或多個(gè)正在等待的線程已發(fā)生事件。無法繼承此類。
ManualResetEvent：當(dāng)通知一個(gè)或多個(gè)正在等待的線程事件已發(fā)生時(shí)出現(xiàn)。無法繼承此類。
這些類定義了一些信號(hào)機(jī)制使得對(duì)資源排他性訪問的占有和釋放。他們有兩種狀態(tài)：signaled 和 nonsignaled。Signaled狀態(tài)的等待句柄不屬于任何線程，除非是nonsignaled狀態(tài)。擁有等待句柄的線程不再使用等待句柄時(shí)用set方法，其他的線程可以調(diào)用Reset方法來改變狀態(tài)或者任意一個(gè)WaitHandle方法要求擁有等待句柄，這些方法見下面：
WaitAll：等待指定數(shù)組中的所有元素收到信號(hào)。
WaitAny：等待指定數(shù)組中的任一元素收到信號(hào)。
WaitOne：當(dāng)在派生類中重寫時(shí)，阻塞當(dāng)前線程，直到當(dāng)前的 WaitHandle 收到信號(hào)。
這些wait方法阻塞線程直到一個(gè)或者更多的同步對(duì)象收到信號(hào)。
WaitHandle對(duì)象封裝等待對(duì)共享資源的獨(dú)占訪問權(quán)的操作系統(tǒng)特定的對(duì)象無論是收管代碼還是非受管代碼都可以使用。但是它沒有Monitor使用輕便，Monitor是完全的受管代碼而且對(duì)操作系統(tǒng)資源的使用非常有效率。
Mutex Class
Mutex是另外一種完成線程間和跨進(jìn)程同步的方法，它同時(shí)也提供進(jìn)程間的同步。它允許一個(gè)線程獨(dú)占共享資源的同時(shí)阻止其他線程和進(jìn)程的訪問。Mutex的名字就很好的說明了它的所有者對(duì)資源的排他性的占有。一旦一個(gè)線程擁有了Mutex，想得到Mutex的其他線程都將掛起直到占有線程釋放它。Mutex.ReleaseMutex方法用于釋放Mutex，一個(gè)線程可以多次調(diào)用wait方法來請(qǐng)求同一個(gè)Mutex，但是在釋放Mutex的時(shí)候必須調(diào)用同樣次數(shù)的Mutex.ReleaseMutex。如果沒有線程占有Mutex，那么Mutex的狀態(tài)就變?yōu)閟ignaled，否則為nosignaled。一旦Mutex的狀態(tài)變?yōu)閟ignaled，等待隊(duì)列的下一個(gè)線程將會(huì)得到Mutex。Mutex類對(duì)應(yīng)與win32的CreateMutex，創(chuàng)建Mutex對(duì)象的方法非常簡(jiǎn)單，常用的有下面幾種方法：
一個(gè)線程可以通過調(diào)用WaitHandle.WaitOne 或 WaitHandle.WaitAny 或 WaitHandle.WaitAll得到Mutex的擁有權(quán)。如果Mutex不屬于任何線程，上述調(diào)用將使得線程擁有Mutex，而且WaitOne會(huì)立即返回。但是如果有其他的線程擁有Mutex，WaitOne將陷入無限期的等待直到獲取Mutex。你可以在WaitOne方法中指定參數(shù)即等待的時(shí)間而避免無限期的等待Mutex。調(diào)用Close作用于Mutex將釋放擁有。一旦Mutex被創(chuàng)建，你可以通過GetHandle方法獲得Mutex的句柄而給WaitHandle.WaitAny 或 WaitHandle.WaitAll 方法使用。
下面是一個(gè)示例：
public void some_method()
{
int a=100;
int b=20;
Mutex firstMutex = new Mutex(false);
FirstMutex.WaitOne();
//some kind of processing can be done here.
Int x=a/b;
FirstMutex.Close();
}
在上面的例子中，線程創(chuàng)建了Mutex，但是開始并沒有申明擁有它，通過調(diào)用WaitOne方法擁有Mutex。
Synchronization Events
同步時(shí)間是一些等待句柄用來通知其他的線程發(fā)生了什么事情和資源是可用的。他們有兩個(gè)狀態(tài)：signaled and nonsignaled。AutoResetEvent 和 ManualResetEvent就是這種同步事件。
AutoResetEvent Class
這個(gè)類可以通知一個(gè)或多個(gè)線程發(fā)生事件。當(dāng)一個(gè)等待線程得到釋放時(shí)，它將狀態(tài)轉(zhuǎn)換為signaled。用set方法使它的實(shí)例狀態(tài)變?yōu)閟ignaled。但是一旦等待的線程被通知時(shí)間變?yōu)閟ignaled，它的轉(zhuǎn)臺(tái)將自動(dòng)的變?yōu)閚onsignaled。如果沒有線程偵聽事件，轉(zhuǎn)臺(tái)將保持為signaled。此類不能被繼承。
ManualResetEvent Class
這個(gè)類也用來通知一個(gè)或多個(gè)線程事件發(fā)生了。它的狀態(tài)可以手動(dòng)的被設(shè)置和重置。手動(dòng)重置時(shí)間將保持signaled狀態(tài)直到ManualResetEvent.Reset設(shè)置其狀態(tài)為nonsignaled，或保持狀態(tài)為nonsignaled直到ManualResetEvent.Set設(shè)置其狀態(tài)為signaled。這個(gè)類不能被繼承。
Interlocked Class
它提供了在線程之間共享的變量訪問的同步，它的操作時(shí)原子操作，且被線程共享.你可以通過Interlocked.Increment 或 Interlocked.Decrement來增加或減少共享變量.它的有點(diǎn)在于是原子操作,也就是說這些方法可以代一個(gè)整型的參數(shù)增量并且返回新的值,所有的操作就是一步.你也可以使用它來指定變量的值或者檢查兩個(gè)變量是否相等,如果相等,將用指定的值代替其中一個(gè)變量的值.
ReaderWriterLock class
它定義了一種鎖,提供唯一寫/多讀的機(jī)制,使得讀寫的同步.任意數(shù)目的線程都可以讀數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)鎖在有線程更新數(shù)據(jù)時(shí)將是需要的.讀的線程可以獲取鎖,當(dāng)且僅當(dāng)這里沒有寫的線程.當(dāng)沒有讀線程和其他的寫線程時(shí),寫線程可以得到鎖.因此,一旦writer-lock被請(qǐng)求,所有的讀線程將不能讀取數(shù)據(jù)直到寫線程訪問完畢.它支持暫停而避免死鎖.它也支持嵌套的讀/寫鎖.支持嵌套的讀鎖的方法是ReaderWriterLock.AcquireReaderLock,如果一個(gè)線程有寫鎖則該線程將暫停;
支持嵌套的寫鎖的方法是ReaderWriterLock.AcquireWriterLock,如果一個(gè)線程有讀鎖則該線程暫停.如果有讀鎖將容易倒是死鎖.安全的辦法是使用ReaderWriterLock.UpgradeToWriterLock方法,這將使讀者升級(jí)到寫者.你可以用ReaderWriterLock.DowngradeFromWriterLock方法使寫者降級(jí)為讀者.調(diào)用ReaderWriterLock.ReleaseLock將釋放鎖, ReaderWriterLock.RestoreLock將重新裝載鎖的狀態(tài)到調(diào)用ReaderWriterLock.ReleaseLock以前.
結(jié)論:
這部分講述了.NET平臺(tái)上的線程同步的問題.造接下來的系列文章中我將給出一些例子來更進(jìn)一步的說明這些使用的方法和技巧.雖然線程同步的使用會(huì)給我們的程序帶來很大的價(jià)值,但是我們最好能夠小心使用這些方法.否則帶來的不是受益,而將倒是性能下降甚至程序崩潰.只有大量的聯(lián)系和體會(huì)才能使你駕馭這些技巧.盡量少使用那些在同步代碼塊完成不了或者不確定的阻塞的東西,尤其是I/O操作;盡可能的使用局部變量來代替全局變量;同步用在那些部分代碼被多個(gè)線程和進(jìn)程訪問和狀態(tài)被不同的進(jìn)程共享的地方;安排你的代碼使得每一個(gè)數(shù)據(jù)在一個(gè)線程里得到精確的控制;不是共享在線程之間的代碼是安全的;在下一篇文章中我們將學(xué)習(xí)線程池有關(guān)的知識(shí).