C#教程之进程内部的同步

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C#教程之进程内部的同步

　在线程里，如果需要共享数据，那么一定需要使用同步技术，确保一次只有一个线程访问和改变共享数据的状态。在.net中，lock语句、Interlocked类和Monitor类可用于进程内部的同步。

1、lock语句与线程安全

　　lock语句是设置锁定和解除锁定的一种简单方式。在使用lock语句之前，先进入另一个争用条件。例如：

public class SharedState
{
    public int State { get; set; }
}
public class Job
{
    SharedState sharedState;
    public Job(SharedState sharedState)
    {
        this.sharedState = sharedState;
    }
    public void DoTheJob()
    {
        for (int i = 0; i < 50000; i++)
        {
                sharedState.State += 1;
        }
    }
}
static void Main()
{
    int numTasks = 20;
    var state = new SharedState();
    var tasks = new Task[numTasks];//定义20个任务

    for (int i = 0; i < numTasks; i++)
    {
        tasks[i] = Task.Run(() => new Job(state).DoTheJob());//启动20个任务，同时对数据进行修改
    }

    for (int i = 0; i < numTasks; i++)
    {
        tasks[i].Wait();//等待所有任务结束
    }

    Console.WriteLine("summarized {0}", state.State);//预想应该输出：summarized 1000000
}

　　实际上的输出与预想输出并不一致，每次运行的输出结果都不同，但没有一个是正确的。如果将线程数量减少，那么得到正确值的次数会增多，但也不是每次都正确。

　　使用lock关键字，可以实现多个线程访问同一个数据时的同步问题。lock语句表示等待指定对象的锁定，该对象只能时引用类型。进行锁定后——只锁定了一个线程，就运行lock语句块中的代码，在lock块最后接触锁定，以便另一个线程可以锁定该对象。

lock(obj)
{
    //执行代码
}
//锁定静态成员，可以所以其类型（object）
lock(typeof(StaticCalss))
{
    //执行代码
}

　　所以修改以上的代码，使用SyncRoot模式。但是，如果是对属性的访问进行锁定：

public class SharedState
{
    private object syncRoot = new object();

    private int state = 0;
    public int State
    {
        get { lock (syncRoot) return state; }
        set { lock (syncRoot) state = value; }
    }
}

　　仍会出现前面的争用情况。在方法调用get存储器，以获得state的当前值，然后set存储器给state设置新值。在调用对象的get和set存储器期间，对象并没有锁定，另一个线程仍然可以获得临时值。最好的方法是在不改变SharedState类的前提下，在调用方法中，将lock语句添加到合适的地方：

public class SharedState
{
    public int State { get; set; }
}
public class Job
{
    SharedState sharedState;
    public Job(SharedState sharedState)
    {
        this.sharedState = sharedState;
    }
    public void DoTheJob()
    {
        for (int i = 0; i < 50000; i++)
        {
            lock (sharedState)
            {
                sharedState.State += 1;
            }
        }
    }
}

　　在一个地方使用lock语句并不意味着访问对象的其他线程都在等待。必须对每个访问共享数据的线程显示使用同步功能。

　　为使对state的修改作为一个原子操作，修改代码：

public class SharedState
{
    private int state = 0;
    public int State { get { return state; } }
    public int IncrementState()
    {
        lock (this)
        {
            return ++state;
        }
    }
}
//外部访问
public void DoTheJob()
{
    for (int i = 0; i < 50000; i++)
    {
         sharedState.IncrementState();        
    }
}

2、Interlocked类

　　Interlocked类用于使变量的简单语句原子化。i++并非线程安全的，它涉及三个步骤：取值、自增、存值。这些操作可能被线程调度器打断。Interlocked类提供了以线程安全的方式递增、递减、交换和读取值的方法。Interlocked类只能用于简单的同步问题，而且很快。因此，上面的IncrementState()方法的代码可以改为：return Interlocked.Increment(ref state);

3、Monitor类

　　lcok语句最终会有C#编译器解析为使用Monitor类。

lock(obj)
{
    //执行代码
}

　　简单的lock(obj)语句会被解析为调用Enter()方法，该方法会一直等待，直到线程锁定对象。一次只有一个线程能锁定对象，只要解除锁定，线程就可以进入同步阶段。Monitor类的Exit()方法解除锁定。编译器把Exit()方法放在try块的finally中，不论是否抛出异常，都将在语句块运行末尾解除锁定。

Monitor.Enter(obj);
try
{
    //执行代码
}
finally
{
    Monitor.Exit(obj);
}

　　相对于lock语句，Mpnitor类可以设置一个等待被锁定的超时值。这样就不会无限期的等待锁定，如果等待锁定时间超过规定时间，则返回false，表示未被锁定，线程不再等待，执行其他操作。也许以后，该线程会再次尝试获得锁定：

bool lockTaken = false;
Monitor.TryEnter(obj,500, ref lockTaken);//在500ms内，是否锁定了对象
if (lockTaken)
{
    try
    {
        //执行代码
    }
    finally
    {
        Monitor.Exit(obj);
    }
}
else
{
    //未获得锁定，执行代码
}

　　如果基于对象的锁定对象（Monitor）的系统开销由于垃圾回收而过高，可以使用SpinLock结构。，SpinLock结构适用于：有大量的锁定，而且锁定时间总是非常短的情况。应避免使用多个SpinLock结构，也不要调用任何可能阻塞的内容。

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