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C#多線程編制程序實際示例實戰

編輯:C#基礎知識
   單個寫入程序/多個閱讀程序在.Net類庫中其實已經提供了實現,即System.Threading.ReaderWriterLock類。本文通過對常見的單個寫入/多個閱讀程序的分析來探索c#的多線程編程。

問題的提出

   所謂單個寫入程序/多個閱讀程序的線程同步問題,是指任意數量的線程訪問共享資源時,寫入程序(線程)需要修改共享資源,而閱讀程序(線程)需要讀取數據。在這個同步問題中,很容易得到下面二個要求:

   1) 當一個線程正在寫入數據時,其他線程不能寫,也不能讀。

   2) 當一個線程正在讀入數據時,其他線程不能寫,但能夠讀。

   在數據庫應用程序環境中經常遇到這樣的問題。比如說,有n個最終用戶,他們都要同時訪問同一個數據庫。其中有m個用戶要將數據存入數據庫,n-m個用戶要讀取數據庫中的記錄。

   很顯然,在這個環境中,我們不能讓兩個或兩個以上的用戶同時更新同一條記錄,如果兩個或兩個以上的用戶都試圖同時修改同一記錄,那麼該記錄中的信息就會被破壞。

   我們也不讓一個用戶更新數據庫記錄的同時,讓另一用戶讀取記錄的內容。因為讀取的記錄很有可能同時包含了更新和沒有更新的信息,也就是說這條記錄是無效的記錄。

實現分析

   規定任一線程要對資源進行寫或讀操作前必須申請鎖。根據操作的不同,分為閱讀鎖和寫入鎖,操作完成之後應釋放相應的鎖。將單個寫入程序/多個閱讀程序的要求改變一下,可以得到如下的形式:

   一個線程申請閱讀鎖的成功條件是:當前沒有活動的寫入線程。

   一個線程申請寫入鎖的成功條件是:當前沒有任何活動(對鎖而言)的線程。

   因此,為了標志是否有活動的線程,以及是寫入還是閱讀線程,引入一個變量m_nActive,如果m_nActive > 0,則表示當前活動閱讀線程的數目,如果m_nActive=0,則表示沒有任何活動線程,m_nActive <0,表示當前有寫入線程在活動,注意m_nActive<0,時只能取-1的值,因為只允許有一個寫入線程活動。

   為了判斷當前活動線程擁有的鎖的類型,我們采用了線程局部存儲技術(請參閱其它參考書籍),將線程與特殊標志位關聯起來。

   申請閱讀鎖的函數原型為:public void AcquireReaderLock( int millisecondsTimeout ),其中的參數為線程等待調度的時間。函數定義如下:

public void AcquireReaderLock( int millisecondsTimeout )

{

// m_mutext很快可以得到,以便進入臨界區

m_mutex.WaitOne( );

// 是否有寫入線程存在

bool bExistingWriter = ( m_nActive < 0 );

if( bExistingWriter )

{ //等待閱讀線程數目加1,當有鎖釋放時,根據此數目來調度線程

m_nWaitingReaders++;

}

else

{ //當前活動線程加1

m_nActive++;

}

m_mutex.ReleaseMutex();

//存儲鎖標志為Reader

System.LocalDataStoreSlot slot = Thread.GetNamedDataSlot(m_strThreadSlotName);

object obj = Thread.GetData( slot );

LockFlags flag = LockFlags.None;

if( obj != null )

flag = (LockFlags)obj ;

if( flag == LockFlags.None )

{

Thread.SetData( slot, LockFlags.Reader );

}

else

{

Thread.SetData( slot, (LockFlags)((int)flag | (int)LockFlags.Reader ) );

}


if( bExistingWriter )

{ //等待指定的時間

this.m_aeReaders.WaitOne( millisecondsTimeout, true );

}

}
   它首先進入臨界區(用以在多線程環境下保證活動線程數目的操作的正確性)判斷當前活動線程的數目,如果有寫線程(m_nActive<0)存在,則等待指定的時間並且等待的閱讀線程數目加1。如果當前活動線程是讀線程(m_nActive>=0),則可以讓讀線程繼續運行。

   申請寫入鎖的函數原型為:public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout ),其中的參數為等待調度的時間。函數定義如下:

public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout )

{

// m_mutext很快可以得到,以便進入臨界區

m_mutex.WaitOne( );

// 是否有活動線程存在

bool bNoActive = m_nActive == 0;

if( !bNoActive )

{

m_nWaitingWriters++;

}

else

{

m_nActi

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ve--;

}

m_mutex.ReleaseMutex();

//存儲線程鎖標志

System.LocalDataStoreSlot slot = Thread.GetNamedDataSlot( "myReaderWriterLockDataSlot" );

object obj = Thread.GetData( slot );

LockFlags flag = LockFlags.None;

if( obj != null )

flag = (LockFlags)Thread.GetData( slot );

if( flag == LockFlags.None )

{

Thread.SetData( slot, LockFlags.Writer );

}

else

{

Thread.SetData( slot, (LockFlags)((int)flag | (int)LockFlags.Writer ) );

}

//如果有活動線程,等待指定的時間

if( !bNoActive )

this.m_aeWriters.WaitOne( millisecondsTimeout, true );

}
   它首先進入臨界區判斷當前活動線程的數目,如果當前有活動線程存在,不管是寫線程還是讀線程(m_nActive),線程將等待指定的時間並且等待的寫入線程數目加1,否則線程擁有寫的權限。

   釋放閱讀鎖的函數原型為:public void ReleaseReaderLock()。函數定義如下:

public void ReleaseReaderLock()

{

System.LocalDataStoreSlot slot = Thread.GetNamedDataSlot(m_strThreadSlotName );

LockFlags flag = (LockFlags)Thread.GetData( slot );

if( flag == LockFlags.None )

{
return;

}

bool bReader = true;

switch( flag )

{

case LockFlags.None:

break;

case LockFlags.Writer:

bReader = false;

break;

}

if( !bReader )

return;

Thread.SetData( slot, LockFlags.None );

m_mutex.WaitOne();

AutoResetEvent autoresetevent = null;

this.m_nActive --;

if( this.m_nActive == 0 )

{

if( this.m_nWaitingReaders > 0 )

{

m_nActive ++ ;

m_nWaitingReaders --;

autoresetevent = this.m_aeReaders;

}

else if( this.m_nWaitingWriters > 0)

{

m_nWaitingWriters--;

m_nActive --;

autoresetevent = this.m_aeWriters ;

}

}

m_mutex.ReleaseMutex();

if( autoresetevent != null )

autoresetevent.Set();

}

   釋放閱讀鎖時,首先判斷當前線程是否擁有閱讀鎖(通過線程局部存儲的標志),然後判斷是否有等待的閱讀線程,如果有,先將當前活動線程加1,等待閱讀線程數目減1,然後置事件為有信號。如果沒有等待的閱讀線程,判斷是否有等待的寫入線程,如果有則活動線程數目減1,等待的寫入線程數目減1。釋放寫入鎖與釋放閱讀鎖的過程基本一致,可以參看源代碼。

   注意在程序中,釋放鎖時,只會喚醒一個閱讀程序,這是因為使用AutoResetEvent的原歷,讀者可自行將其改成ManualResetEvent,同時喚醒多個閱讀程序,此時應令m_nActive等於整個等待的閱讀線程數目。

測試

   測試程序取自.Net FrameSDK中的一個例子,只是稍做修改。測試程序如下,

using System;

using System.Threading;

using MyThreading;

class Resource {

myReaderWriterLock rwl = new m

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yReaderWriterLock();

public void Read(Int32 threadNum) {

rwl.AcquireReaderLock(Timeout.Infinite);

try {

Console.WriteLine("Start Resource reading (Thread={0})", threadNum);

Thread.Sleep(250);

Console.WriteLine("Stop Resource reading (Thread={0})", threadNum);

}

finally {

rwl.ReleaseReaderLock();

}

}

public void Write(Int32 threadNum) {

rwl.AcquireWriterLock(Timeout.Infinite);

try {

Console.WriteLine("Start Resource writing (Thread={0})", threadNum);

Thread.Sleep(750);

Console.WriteLine("Stop Resource writing (Thread={0})", threadNum);

}

finally {

rwl.ReleaseWriterLock();

}

}

}

class App {

static Int32 numAsyncOps = 20;

static AutoResetEvent asyncOpsAreDone = new AutoResetEvent(false);

static Resource res = new Resource();



public static void Main() {

for (Int32 threadNum = 0; threadNum < 20; threadNum++) {

ThreadPool.QueueUserWorkItem(new WaitCallback(UpdateResource), threadNum);

}

asyncOpsAreDone.WaitOne();

Console.WriteLine("All operations have completed.");

Console.ReadLine();

}

// The callback method's signature MUST match that of a System.Threading.TimerCallback

// delegate (it takes an Object parameter and returns void)

static void UpdateResource(Object state) {

Int32 threadNum = (Int32) state;

if ((threadNum % 2) != 0) res.Read(threadNum);

else res.Write(threadNum);

if (Interlocked.Decrement(ref numAsyncOps) == 0)

asyncOpsAreDone.Set();

}

}
   從測試結果中可以看出,可以滿足單個寫入程序\多個閱讀程序的實現要求。  

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