C# 多线程详解 Part.04（Lock、Monitor、生产与消费）

       系列1 曾经说过：每个线程都有自己的资源，但代码区是共享的，即每个线程都可以执行相同的函数。

       这可能带来的问题就是多个线程同时执行一个函数，并修改同一变量值，这将导致数据的混乱，产生不可预料的结果。看下面的示例：

[code]private void btnThread_Click(object sender, EventArgs e)

{

Thread t1 = new Thread(ChangeTextBox);

t1.Start();

Thread t2 = new Thread(ChangeTextBox);

t2.Start();

}

void ChangeTextBox()

{

for (int i = 0; i < 10000; i++)

{

int num = int.Parse(txtNum.Text);

num++;

txtNum.Text = num.ToString();

}

}

[/code]





       结果，计数非但不是20000，相差的还很远。这是因为 CPU 在线程切换的过程中，2 个线程多次发生取出相同值进行运算。这显然不是我们想要达到的目的。

 

Lock

       要解决这一问题也非常简单，只需为这段代码加上 Lock 锁定：

[code]private static object obj = new object();

void ChangeTextBox()

{

for (int i = 0; i < 10000; i++)

{

lock(obj)

{

    int num = int.Parse(txtNum.Text);

    num++;

    txtNum.Text = num.ToString();

}

}

}

[/code]





       C# 提供了一个关键字 lock，它可以把一段代码定义为互斥段（critical section），互斥段在一个时刻内只允许一个线程进入执行，而其他线程必须等待。



       expression 代表你希望跟踪的对象，通常是对象引用。如果你想保护一个类的实例，你可以使用 this；如果你想保护一个静态变量（如互斥代码段在一个静态方法内部），一般使用类名就可以了。而 statement_block 就是互斥段的代码，这段代码在一个时刻内只可能被一个线程执行。

 

       再看一个 Lock 关键字的示例：

[code]internal class Account

{

int balance;

Random r = new Random();

internal Account(int initial)

{

balance = initial;

}

internal void Withdraw(int amount)

{

if (balance < 0)

{

throw new Exception("Negative Balance");

}

lock (this)

{

// 下面的代码保证在当前线程修改 balance 的值完成之前

// 不会有其他线程也执行这段代码来修改 balance 的值

// 因此，balance 的值是不可能小于 0 的

Console.WriteLine("Current Thread:" + Thread.CurrentThread.Name

+ " balance:" + balance.ToString() + " amount:" + amount);

// 如果没有 lock 关键字的保护，那么可能在执行完 if 的条件判断之后

// 另外一个线程却执行了 balance=balance-amount 修改了 balance 的值

// 而这个修改对这个线程是不可见的，所以可能导致这时 if 的条件已经不成立了

// 但是，这个线程却继续执行 balance=balance-amount，所以导致 balance 可能小于 0

// 去除 lock 块可以看出效果,程序会抛出异常

if (balance >= amount)

{

Thread.Sleep(5);

balance = balance - amount;

}

Console.WriteLine("Current Thread:" + Thread.CurrentThread.Name

+ " balance:" + balance.ToString() + " amount:" + amount);

}

}

internal void DoTransactions()

{

for (int i = 0; i < 100; i++)

{

Withdraw(r.Next(-50, 100));

}

}

}

internal class Test

{

static internal Thread[] threads = new Thread[10];

public static void Main()

{

Account acc = new Account(0);

for (int i = 0; i < 10; i++)

{

Thread t = new Thread(new ThreadStart(acc.DoTransactions));

threads[i] = t;

threads[i].Name = i.ToString();

}

for (int i = 0; i < 10; i++)

{

threads[i].Start();

}

Console.ReadLine();

}

}

[/code]

       Lock 语法简单易用。其本质是针对 Monitor.Enter() 和 Monitor.Exit() 的封装，是一个语法糖！

 

 

Monitor

       当多个线程公用一个对象时，也会出现和公用代码类似的问题，这就需要用到 System.Threading 中的 Monitor 类，我们可以称之为监视器，Monitor 提供了使线程共享资源的方案。

       Monitor 类可以锁定一个对象，一个线程只有得到这把锁才可以对该对象进行操作。 对象锁机制保证了在可能引起混乱的情况下，一个时刻只有一个线程可以访问这个对象。Monitor 必须和一个具体的对象相关联，但是由于它是一个静态的类，所以不能使用它来定义对象，而且它的所有方法都是静态的，不能使用对象来引用。

    下面代码说明了使用 Monitor 锁定一个对象的情形：

[code]// 表示对象的先进先出集合

Queue oQueue = new Queue();

try

{

// 现在 oQueue 对象只能被当前线程操纵了

Monitor.Enter(oQueue);

// do something......

}

catch

{

}

finally

{

// 释放锁

Monitor.Exit(oQueue);

}

[/code]

       如上所示， 当一个线程调用 Monitor.Enter() 方法锁定一个对象时，这个对象就归它所有了，其它线程想要访问这个对象，只有等待它使用 Monitor.Exit() 方法释放锁。为了保证线程最终都能释放锁，你可以把 Monitor.Exit() 方法写在 try-catch-finally 结构中的 finally 代码块里。（Lock 关键字就是这个步骤的语法糖）

 

       任何一个被 Monitor 锁定的对象，内存中都保存着与它相关的一些信息:

现在持有锁的线程的引用

一个预备队列，队列中保存了已经准备好获取锁的线程

一个等待队列，队列中保存着当前正在等待这个对象状态改变的队列的引用

       当拥有对象锁的线程准备释放锁时，它使用 Monitor.Pulse() 方法通知等待队列中的第一个线程，于是该线程被转移到预备队列中，当对象锁被释放时，在预备队列中的线程可以立即获得对象锁。

 

生产与消费

       下面是一个展示如何使用 lock 关键字和 Monitor 类来实现线程的同步和通讯的例子，是一个典型的生产者与消费者问题。

       在本例中，生产者线程和消费者线程是交替进行的，生产者写入一个数，消费者立即读取并且显示（注释中介绍了该程序的精要所在）。

[code]/// <summary>

/// 被操作的对象

/// </summary>

public class Cell

{

/// <summary>

/// Cell 对象里的内容

/// </summary>

int cellContents;

/// <summary>

/// 状态标志: 为 true 时可以读取，为 false 则正在写入

/// </summary>

bool readerFlag = false;

public int ReadFromCell()

{

lock (this)

{

if (!readerFlag)

{

try

{

// 等待 WriteToCell 方法中调用 Monitor.Pulse()方法

Monitor.Wait(this);

}

catch (SynchronizationLockException e)

{

Console.WriteLine(e);

}

catch (ThreadInterruptedException e)

{

Console.WriteLine(e);

}

}

// 开始消费行为

Console.WriteLine("Consume: {0}", cellContents);

Console.WriteLine();

// 重置 readerFlag 标志，表示消费行为已经完成

readerFlag = false;

// 通知 WriteToCell()方法（该方法在另外一个线程中执行，等待中）

Monitor.Pulse(this);

}

return cellContents;

}

public void WriteToCell(int n)

{

lock (this)

{

if (readerFlag)

{

try

{

Monitor.Wait(this);

}

catch (SynchronizationLockException e)

{

// 当同步方法（指Monitor类除Enter之外的方法）在非同步的代码区被调用

Console.WriteLine(e);

}

catch (ThreadInterruptedException e)

{

// 当线程在等待状态的时候中止

Console.WriteLine(e);

}

}

cellContents = n;

Console.WriteLine("Produce: {0}", cellContents);

readerFlag = true;

Monitor.Pulse(this); // 通知另外一个线程中正在等待的 ReadFromCell() 方法 

}

}

}

/// <summary>

/// 生产者

/// </summary>

public class CellProd

{

/// <summary>

/// 被操作的 Cell 对象

/// </summary>

Cell cell;

/// <summary>

/// 生产者生产次数，初始化为 1

/// </summary>

int quantity = 1;

public CellProd(Cell box, int request)

{

cell = box;

quantity = request;

}

public void ThreadRun()

{

for (int looper = 1; looper <= quantity; looper++)

{

// 生产者向操作对象写入信息

cell.WriteToCell(looper);

}

}

}

/// <summary>

/// 消费者

/// </summary>

public class CellCons

{

Cell cell;

int quantity = 1;

public CellCons(Cell box, int request)

{

cell = box;

quantity = request;

}

public void ThreadRun()

{

int valReturned;

for (int looper = 1; looper <= quantity; looper++)

{

valReturned = cell.ReadFromCell(); // 消费者从操作对象中读取信息

}

}

}

/// <summary>

/// 测试类

/// </summary>

public class MonitorSample

{

public static void Main(String[] args)

{

// 一个标志位，如果是 0 表示程序没有出错，如果是 1 表明有错误发生

int result = 0;

// 下面使用 cell 初始化 CellProd 和 CellCons 两个类，生产和消费次数均为 20 次

Cell cell = new Cell();

CellProd prod = new CellProd(cell, 20);

CellCons cons = new CellCons(cell, 20);

Thread producer = new Thread(new ThreadStart(prod.ThreadRun));

Thread consumer = new Thread(new ThreadStart(cons.ThreadRun));

// 生产者线程和消费者线程都已经被创建，但是没有开始执行

try

{

producer.Start();

consumer.Start();

producer.Join();

consumer.Join();

    Console.ReadLine();

}

catch (ThreadStateException e)

{

// 当线程因为所处状态的原因而不能执行被请求的操作

Console.WriteLine(e);

result = 1;

}

catch (ThreadInterruptedException e)

{

// 当线程在等待状态的时候中止

Console.WriteLine(e);

result = 1;

}

// 尽管 Main() 函数没有返回值，但下面这条语句可以向父进程返回执行结果

Environment.ExitCode = result;

}

}

[/code]

       这个简单的例子解决了多线程应用程序中可能出现的大问题， 只要领悟了解决线程间冲突的基本方法，很容易把它应用到比较复杂的程序中去。