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C#線程系列講座(4):同步與死鎖

編輯:關於C#

雖然線程可以在一定程度上提高程序運行的效率,但也會產生一些副作用。讓 我們先看看如下的代碼:

class Increment
{
private int n = 0;
private int max;
public Increment(int max)
{
this.max = max;
}
public int result
{
get
{
return n;
}
set
{
n = value;
}
}
public void Inc()
{
for (int i = 0; i < max; i++)
{
n++;
}
}
}
class Program
{
public static void Main()
{
Increment inc = new Increment(10000);
Thread[] threads = new Thread[30];
for (int i = 0; i < threads.Length; i++)
{
threads[i] = new Thread(inc.Inc);
threads[i].Start();
}
for (int i = 0; i < threads.Length; i++)
{
threads[i].Join(); // 等待30個線程都執行完
}
Console.WriteLine(inc.result); //輸出n的值
}
}

上面的程序的基本功能是使用Increment的Inc方法為n遞 增max,所不同的是,將在Main方法中啟動30個線程同時執行Inc方法。在本例中 max的值是10000(通過Increment的構造方法傳入)。讀者可以運行一下這個程序 ,正常的結果應該是300000,但通常不會得到這個結果,一般獲得的結果都比 300000小。其中的原因就是Inc方法中的n++上,雖然從表面上看,n++只是一條簡 單的自增語言,但從底層分析,n++的IL代碼如下:

ldsfld// 獲得n的初 始值,並壓到方法棧中

ldc.i4.1// 將1壓到方法棧中

add// 從方 法棧中彈出最頂端的兩個值,相加,然後將結果保存在方法棧中

stfld// 從當前方法棧中彈出一個值,並更新類字段n

對於上面每一條IL語句是線 程安全的,但是n++這條C#語句需要上面的四步才能完成,因此,n++這條語句並 不是線程安全的。只要在執行stfld指令之前的任何一步由於其他線程獲得CPU而 中斷,那麼就會出現所謂的“髒”數據。

假設n的初始值為0, 在thread1在執行完ldc.i4.1後被thread2中斷(add指令並未執行),這時 thread2獲得的n的初始值仍然是0,假設thread2順利執行完,那麼這時n的值已經 是1了,當thread2執行完後,thread1繼續執行add指令,並且thread1也順利執行 完,這時,在thread1中的執行結果n仍然是1。因此,這也就出現了調用兩次n++ ,n仍然為1的情況。要解決這個問題的方法也很容易想到,就是讓上述四條IL語 句要不都不執行,要執行就都執行完,這有點事務處理的意思。

在C#中解 決這個問題的技術叫同步。同步的本質就是為某一個代碼塊加鎖,使其成為一個 整體,共同進退。最簡單的是使用lock為代碼塊加鎖。這個語句在前幾講已經多 次使用過了。lock語句可以鎖定任何的對象,如果鎖定的是類成員,直接使用 lock(obj)的形式即可,如果鎖定的是靜態成員,可以把鎖主在object類型上,代 碼如下:

lock(typeof(StaticClass))
{
... ...
}

對於Increment類,我們可以鎖定n++,也可以鎖定Inc 方法,如鎖定n++的Increment類的代碼如下:

class Increment
{
private int n = 0;
private int max;
private Object lockN = new Object();
public Increment(int max)
{
this.max = max;
}
public int result
{
get
{
return n;
}
set
{
n = value;
}
}
private void IncN()
{
lock (lockN)
{
n++;
}
}
public void Inc()
{
for (int i = 0; i < max; i++)
{
IncN();
}
}
}

也可以直接將如下的代碼放到for循環中取代調 用IncN方法,

lock (lockN)
{
  n++;
}

或者直接將Inc方法鎖住,代碼如下:

public void Inc()
{
lock (lockN)
{
for (int i = 0; i < max; i++)
{
n++;
}
}
}

但筆者並不建議直接將Inc鎖住,因為這樣就和單線程沒什麼區別 了,雖然可以避免出現讀髒數據的情況,但卻犧牲的效率。

從本例分析得 知,產生問題的原因就是因為n++不是原子操作。而在.net framework中提供了一 個Interlocked類,可以使n++變成原子操作。Interlocked有一些方法,可以保證 對變量的操作是原子的,如Increment方法保證n++的操作是原子的,Decrement方 法保證n--的操作是原子的,Exchange方法保證為變量賦值的操作是原子的。因此 ,可以使用Increment方法來替換n++,代碼如下:

public void Inc()
{
for (int i = 0; i < max; i++)
{
Interlocked.Increment(ref n);
}
}

任何事物都 具有兩面性,同步技術也不例外,在某些情況下,可以由於兩個線程互相鎖定某 些對象而造成死鎖(就是兩個線程互相等待對方釋放對象)。這就象有兩個學生 晚上在復習功課,他們都希望學習能超過對方,而且他們都很累了,但是誰也不 肯先休息,是都在盯著對方屋裡的燈,期望著對方休息後。自己才休息。但卻誰 也不肯先關燈,所以他們就只有這樣耗到天亮了。當然,解決這個問題的方法有 兩個,第一個就是其中一個學生或兩個學生根本就不關心對方是否先睡覺,自己 學累了就直接關燈了。當然,另外一個方法就有點暴力了,就是到點就直接斷電 ,那誰也別學了(這也相當於線程中斷,不過不到萬不得以時最好別用這招)。

讓我們先舉一個線程死鎖的例子,代碼如下:

class Program
{
private static Object objA = new Object();
private static Object objB = new Object();
public static void LockA()
{
lock (objA)
{
Thread.Sleep(1000);
lock (objB)
{
}
}
Console.WriteLine("LockA");
}
public static void LockB()
{
lock (objB)
{
Thread.Sleep(2000);
lock (objA)
{
}
}
Console.WriteLine("LockB");
}
public static void Main()
{
Thread threadA = new Thread(LockA);
Thread threadB = new Thread(LockB);
threadA.Start();
threadB.Start();
}
}

在 上面的代碼中,LockA方法會在當前線程中執行完Lock(objA)後延遲1秒,而LockB 方法會在執行完lock(objB)後延遲2秒,一般LockA會先執行lock(objB),但這時 objB已經被LockB鎖住了,而且LockB還在延遲(2秒還沒到)。在這時,LockA已 經將objA和objB都鎖上了,當LockB執行到lock(objA)時,由於objA已經被鎖上, 因此,LockB就被阻塞了。而LockA在執行到lock(objB)時,由於這時LockA還在 延遲,因此,objB也被鎖住了。LockA和LockB也就相當於上述的兩個學生,互相 等待對方關燈,但誰也不肯先關燈,所以就死鎖了。如果采用第一種方法非常簡 單,就是保持被鎖定的多個對象的順序,如將LockB方法的鎖定順序換一下,代碼 如下:

public static void LockB()
{
lock (objA)
{
Thread.Sleep(2000);
lock (objB)
{
}
}
Console.WriteLine("LockB");
}

或是將LockA方 法也改一下,先鎖objB,再鎖objA。

當然,也可以采用暴力一點的方法, 當發現一些線程長時間沒反應時,可以使用Abort方法強行中斷它們。代碼如下:

public static void Main()
{
Thread threadA = new Thread(LockA);
Thread threadB = new Thread(LockB);
threadA.Start();
threadB.Start();
Thread.Sleep(4000);
threadA.Abort();
threadB.Abort();
Console.WriteLine("線程全部結束");
}

在後面的文章中將講解C#中其他的同步技術。

文章來 源:http://www.cnblogs.com/nokiaguy/archive/2008/07/25/1251756.html

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