浅谈.NET开发中多线程思维方式

开发 后端
前段时间仔细看过些关于多线程方面的资料,项目中用到线程的地方也不少,可是,当看了Jeffrey的一篇关于锁的文章后,发现自己虽然一直都在使用多线程,但是缺少了做多线程编程需要的思维!所以想从Jeffrey的Optex(锁)入手,来谈谈我从其中体会的东西。

在NET中,我们用的最多的锁机制就是lock,用起来很简单,短短几行程序就可以实现,例如:

Lock 's Code
public class TestThreading
{
    private System.Object lockThis = new System.Object();
    public void Function()
    {
        lock (lockThis)
        {
            // Access thread-sensitive resources.
        }
    }
}

其实我们也明白,lock并不是锁,而是MS提供的一个简便式的写法,真正实现的是Monitor类中的Enter和Exit方法,既然提到了Monitor类也就说下有个需要注意的地方:

Pulse和PulseAll方法,这两个方法就是把锁状态将要改变的消息通知给等待队列中的线程,不过这时如果等待队列中没有线程,那么该方法就会一直等待下去,直到有等待的线程进入队列,也就是说该方法可能造成类试死锁的情况出现。

上面的lock + 线程(Thread和ThreadPool) = 多线程编程(N%)!?

对于该公式我曾经的N是80,现在是20。其中有很多东西影响我,让我从80->20,下面的Optex就是一个入口点。

--------------------------------------------------------------------------------

Optex 's Code
public sealed class Optex : IDisposable {
   private Int32 m_Waiters = 0;
   private Semaphore m_WaiterLock = new Semaphore(0, Int32.MaxValue);

   public Optex() { }
   public void Dispose() {
      if (m_WaiterLock != null)
      {
         m_WaiterLock.Close();
         m_WaiterLock = null;
      }
   }

   public void Enter() {
      Thread.BeginCriticalRegion();
      // Add ourself to the set of threads interested in the Optex
      if (Interlocked.Increment(ref m_Waiters) == 1) {
         // If we were the first thread to show interest, we got it.
         return;
      }

      // Another thread has the Optex, we need to wait for it
      m_WaiterLock.WaitOne();
      // When WaitOne returns, this thread now has the Optex
   }

   public void Exit() {
      // Subtract ourself from the set of threads interested in the Optex
      if (Interlocked.Decrement(ref m_Waiters) > 0) {
         // Other threads are waiting, wake 1 of them
         m_WaiterLock.Release(1);
      }
      Thread.EndCriticalRegion();
   }
}

看完上面的代码,让我增加了两点认识:

1、Thread.BeginCriticalRegion()和Thread.EndCriticalRegion();        

因为这段时间正好看了一本多线程编程的书,既然将上面方法认为是进入临界区和退出临界区,对于临界区而言,进入该区的数据,在没有退出之前,如果临界区外的程序需要使用它,那么就必须出于等待。所以觉得已经使用临界区,为什么还要使用Semaphore?!

可是,MS只是取了个相同的名字,做的事情完全不同,上面两个方法完全没有临界区的概念,它只是设置一个区域(Begin到End之间),表示该区域内发生线程中断或未处理的异常会影响整个应用程序域。

2、m_Waiters的作用

一开始以为在Enter的时候,直接写上:

m_WaiterLock.WaitOne();

Exit的时候,写上:

m_WaiterLock.Release(1); 

这样就可以了。m_Waiters有什么意义?!           

优化性能,Semaphore是内核对象,我们都知道,要尽量少的进入内核模式,因为这是很消耗性能,所以尽量少的使用内核对象。m_Waiters的意义就在这里,如果只有一个线程使用该锁对象的时候,是不需要去获取和释放的。 OK,上述的东西都是铺垫,铺完了也就进入主题了!

多线程的思维

优化的Optex 


namespace ThreadConcurrent.Lock
{
    public sealed class Optex : IDisposable
    {
        ///
        /// 琐的状态
        ///

        private Int32 m_LockState = c_lsFree;

        ///


        /// 自由状态
        ///

        private const Int32 c_lsFree = 0x00000000;
       
        ///
        /// 被拥有状态
        ///

        private const Int32 c_lsOwned = 0x00000001;
       
        ///
        /// 等待的线程数
        ///

        private const Int32 c_1Waiter = 0x00000002;

        private Semaphore m_WaiterLock = new Semaphore(0, Int32.MaxValue);

        #region 构造函数

        ///


        ///
        ///

        public Optex() { }

        #endregion

        ///


        /// 请求锁
        ///

        public void Enter()
        {
            Thread.BeginCriticalRegion();
            while (true)
            {
                Int32 ls = InterlockedOr(ref m_LockState, c_lsOwned);

                //自由状态
                if ((ls & c_lsOwned) == c_lsFree) return;

                // 增加等待的线程数
                if (IfThen(ref m_LockState, ls, ls + c_1Waiter))
                {
                    m_WaiterLock.WaitOne();
                }
            }
        }

        public void Exit()
        {
            // 释放琐
            Int32 ls = InterlockedAnd(ref m_LockState, ~c_lsOwned);

            //无等待的线程
            if (ls == c_lsOwned)
            {
            }
            else
            {
                ls &= ~c_lsOwned;
                if (IfThen(ref m_LockState, ls & ~c_lsOwned, ls - c_1Waiter))
                {
                    m_WaiterLock.Release(1);
                }
                else
                {
                }
            }
            Thread.EndCriticalRegion();
        }

        #region 原子化操作

        ///


        /// 与操作
        ///

        ///
        ///
        ///
        private static Int32 InterlockedAnd(ref Int32 target, Int32 with)
        {
            Int32 i, j = target;
            do
            {
                i = j;
                j = Interlocked.CompareExchange(ref target, i & with, i);
            } while (i != j);
            return j;
        }

        ///


        /// 或操作
        ///

        ///
        ///
        ///
        private static Int32 InterlockedOr(ref Int32 target, Int32 with)
        {
            Int32 i, j = target;
            do
            {
                i = j;
                j = Interlocked.CompareExchange(ref target, i | with, i);
            } while (i != j);
            return j;
        }

        #endregion

        private static Boolean IfThen(ref Int32 val, Int32 @if, Int32 then)
        {
            return (Interlocked.CompareExchange(ref val, @then, @if) == @if);
        }

        private static Boolean IfThen(ref Int32 val, Int32 @if, Int32 then, out Int32 prevVal)
        {
            prevVal = Interlocked.CompareExchange(ref val, @then, @if);
            return (prevVal == @if);
        }

        ///


        /// 释放资源
        ///

        public void Dispose()
        {
            if (m_WaiterLock != null)
            {
                m_WaiterLock.Close();
                m_WaiterLock = null;
            }
        }
    }
}
    

对于上面的这个代码,我晕眩了好一段时间,不过当我真正理解的时候,从晕眩中学到了做多线程编程应该具备的思维方式。

首先从简单的理解开始谈,

1、原子化操作

对于InterLocked类,曾经也知道,但是却用的很少,不过从该代码中知道,在多线程的编程中对共享数据的写入操作,一定要达到原子性。至于如何做到这点,InterlockedAnd和InterlockedOr做了很好的诠释:

While循环的目的就是保证target值以***的值做与操作,如果传入的值在执行的过程被其他线程改变的话,那么是不会退出该循环的,并会利用改变后的值重新做次与操作。

2、理解Enter和Exit

这两个方法很难写出来解释,用图是最清晰的。

曾经的晕眩:

1、Enter方法中为什么存在循环,为什么不是执行完waitone就结束,必须m_lockState等于c_IsFree的时候才结束?

线程的执行并不完全按照先前排好的顺序去执行,有时会发生一些特殊的情况来使改变线程的调度顺序,所以就可能会出现上图灰色部分的情况,则为了解决该可能发生的问题(概率很小)循环机制就出现了。

2、为什么在WaitOne和Release之前,除了增加和减少等待者外,还需要判断m_lockstate是否改变(进入Enter到执行Waitone前的这段时间)?

一般性的思维:

该程序的思维:

这样做的好处就是尽量少的操作内核对象,提高性能!

多线程编程虽然复杂,但是我觉得很有意思和挑战性,而且随着硬件的发展,多线程编程会更加重要,既然已经上路就让我们走到尽头!

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责任编辑:彭凡 来源: cnblogs
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