在上一篇C#多線程之線程同步2中，我們主要學習了AutoResetEvent構造、ManualResetEventSlim構造和CountdownEvent構造，在這一篇中，我們將學習Barrier構造、ReaderWriterLockSlim構造和SpinWait構造。
七、使用Barrier構造
在這一小節中，我們將學習一個比較有意思的同步構造：Barrier。Barrier構造可以幫助我們控制多個等待線程達到指定數量後，才發送通知信號，然後所有等待線程才能繼續執行，並且在每次等待線程達到指定數量後，還能執行一個回調方法。具體步驟如下所示：
1、使用Visual Studio 2015創建一個新的控制台應用程序。
2、雙擊打開“Program.cs”文件，編寫代碼如下所示：
1 using System;
2 using System.Threading;
3 using static System.Console;
4 using static System.Threading.Thread;
5
6 namespace Recipe07
7 {
8 class Program
9 {
10 static Barrier barrier = new Barrier(2, b => WriteLine($"End of phase {b.CurrentPhaseNumber + 1}"));
11
12 static void PlayMusic(string name, string message, int seconds)
13 {
14 for(int i = 1; i < 3; i++)
15 {
16 WriteLine("----------------------------------------------");
17 Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
18 WriteLine($"{name} starts to {message}");
19 Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
20 WriteLine($"{name} finishes to {message}");
21 barrier.SignalAndWait();
22 }
23
24 }
25
26 static void Main(string[] args)
27 {
28 var t1 = new Thread(() => PlayMusic("the guitarist", "play an amazing solo", 5));
29 var t2 = new Thread(() => PlayMusic("the singer", "sing his song", 2));
30
31 t1.Start();
32 t2.Start();
33 }
34 }
35 }
3、運行該控制台應用程序，運行效果如下圖所示：
在第10行代碼處，我們創建了一個Barrier的實例barrier，並給其構造方法的“participantCount”參數賦值為2，表示barrier參與線程的數量為2，也就是說要有2個線程達到阻塞後，barrier才發送通知信號，其阻塞線程才能繼續執行。第二個參數“postPhaseAction”是一個Action類型的委托，表示當阻塞線程達到規定數量後要執行的回調方法。
在第28~29行代碼處，我們創建了2個線程t1和t2，用於執行“PlayMusic”方法。t2線程首先執行到第21行代碼處，在這一行代碼中，我們在線程t2中調用了barrier的“SignalAndWait”方法，等待參與數量的線程達到構造方法指定的數量2時，才能繼續執行，因為，在t2線程調用該方法時，只有一個線程t2被阻塞，沒有達到規定數量2，所以，t2線程不能繼續執行。當t1線程執行到第21行代碼處時，也調用了barrier的“SignalAndWait”方法，這個時候等待線程的數量達到規定的數量2，所以t1和t2線程都能繼續執行，並且在barrier的構造方法的第二個參數指定的回調方法也被執行。
當兩個線程執行“PlayMusic”方法的第二次循環時，過程與第一次一樣，不在描述。
八、使用ReaderWriterLockSlim構造
在這一小節中，我們將學習如何使用ReaderWriterLockSlim構造來線程安全地使用多線程讀寫集合中的數據。具體步驟如下所示：
1、使用Visual Studio 2015創建一個新的控制台應用程序。
2、雙擊打開“Program.cs”文件，編寫代碼如下所示：
1 using System;
2 using System.Collections.Generic;
3 using System.Threading;
4 using static System.Console;
5 using static System.Threading.Thread;
6
7 namespace Recipe08
8 {
9 class Program
10 {
11 // 表示用於管理資源訪問的鎖定狀態，可實現多線程讀取或進行獨占式寫入訪問
12 static ReaderWriterLockSlim rw = new ReaderWriterLockSlim();
13 static Dictionary<int, int> items = new Dictionary<int, int>();
14
15 static void Read()
16 {
17 WriteLine("Reading contents of a dictionary");
18 while (true)
19 {
20 try
21 {
22 // 嘗試進入讀取模式鎖定狀態
23 rw.EnterReadLock();
24 foreach(var key in items.Keys)
25 {
26 Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.1));
27 }
28 }
29 finally
30 {
31 // 減少讀取模式的遞歸計數，並在生成的計數為 0（零）時退出讀取模式
32 rw.ExitReadLock();
33 }
34 }
35 }
36
37 static void Write(string threadName)
38 {
39 while (true)
40 {
41 try
42 {
43 int newKey = new Random().Next(250);
44 // 嘗試進入可升級模式鎖定狀態
45 rw.EnterUpgradeableReadLock();
46 if (!items.ContainsKey(newKey))
47 {
48 try
49 {
50 // 嘗試進入寫入模式鎖定狀態
51 rw.EnterWriteLock();
52 items[newKey] = 1;
53 WriteLine($"New key {newKey} is added to a dictionary by a {threadName}");
54 }
55 finally
56 {
57 // 減少寫入模式的遞歸計數，並在生成的計數為 0（零）時退出寫入模式
58 rw.ExitWriteLock();
59 }
60 }
61 Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.1));
62 }
63 finally
64 {
65 // 減少可升級模式的遞歸計數，並在生成的計數為 0（零）時退出可升級模式
66 rw.ExitUpgradeableReadLock();
67 }
68 }
69 }
70
71 static void Main(string[] args)
72 {
73 new Thread(Read) { IsBackground = true }.Start();
74 new Thread(Read) { IsBackground = true }.Start();
75 new Thread(Read) { IsBackground = true }.Start();
76
77 new Thread(() => Write("Thread 1")) { IsBackground = true }.Start();
78 new Thread(() => Write("Thread 2")) { IsBackground = true }.Start();
79
80 Sleep(TimeSpan.FromSeconds(20));
81 }
82 }
83 }
3、運行該控制台應用程序，運行效果（每次運行效果可能不同）如下圖所示：
在第73~75行代碼處，我們創建了3個後台線程來讀取集合中的數據。在第77~78行代碼處，我們創建了2個後台線程向集合中寫入數據。為了線程安全地對集合進行操作，我們使用為此場景專門設計的ReaderWriterLockSlim構造。該構造有兩種類型的鎖：讀取模式鎖和寫入模式鎖。讀取模式鎖允許多線程讀取數據，寫入模式鎖阻塞其他線程的每一個操作直到寫入模式鎖被釋放為止。
有一個非常有趣的場景，當我們想獲得一個讀取模式鎖從集合中讀取一些數據，並根據這些數據獲得一個寫入模式鎖以更新集合時，如果我們立即就獲得鎖定模式鎖的話不僅消耗的時間多，而且還不允許我們讀取數據，因為當我們獲得一個寫入模式鎖的時候，集合就被鎖定了。為了盡量減少這種時間的浪費，我們可以使用“EnterUpgradeableReadLock”方法獲得讀取模式鎖來讀取數據，如果讀取完畢數據後，我們發現需要更新底層集合，那麼我們可以使用“EnterWriteLock”升級我們的鎖，然後快速執行寫入操作並使用“ExitWriteLock”釋放寫入模式鎖，最後使用“ExitUpgradeableReadLock”釋放可升級模式鎖。
在上述代碼中，我們獲得一個隨機數，然後獲得一個讀取模式鎖，並檢查該隨機數是否已在集合中存在，如果不存在，我們升級該讀取模式鎖為寫入模式鎖，然後向集合中添加一個新的key。使用try/finally塊是一個比較好的方式，它可以保證我們總能釋放鎖獲得的鎖。
九、使用SpinWait構造
在這一小節中，我們將學習如何在不涉及kernel-mode構造的情況下等待一個線程的執行。另外還將介紹SpinWait構造，該構造是一種混合同步構造，主要用於設計在用戶模式中等待一段時間後，然後將其切換到內核模式，以節省CUP時間。具體步驟如下所示：
1、使用Visual Studio 2015創建一個新的控制台應用程序。
2、雙擊打開“Program.cs”文件，編寫代碼如下所示：
1 using System;
2 using System.Threading;
3 using static System.Console;
4 using static System.Threading.Thread;
5
6 namespace Recipe09
7 {
8 class Program
9 {
10 static volatile bool isCompleted = false;
11
12 static void UserModeWait()
13 {
14 while (!isCompleted)
15 {
16 Write(".");
17 }
18 WriteLine();
19 WriteLine("Waiting is complete");
20 }
21
22 static void HybridSpinWait()
23 {
24 // 提供對基於自旋的等待的支持
25 var w = new SpinWait();
26 while (!isCompleted)
27 {
28 // 執行單一自旋
29 w.SpinOnce();
30 // 獲取對 System.Threading.SpinWait.SpinOnce 的下一次調用是否將產生處理器，同時觸發強制上下文切換
31 WriteLine(w.NextSpinWillYield);
32 }
33 WriteLine("Waiting is complete");
34 }
35
36 static void Main(string[] args)
37 {
38 var t1 = new Thread(UserModeWait);
39 var t2 = new Thread(HybridSpinWait);
40
41 WriteLine("Running user mode waiting");
42 t1.Start();
43 Sleep(20);
44 isCompleted = true;
45 Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
46 isCompleted = false;
47 WriteLine("Running hybrid SpinWait construct waiting");
48 t2.Start();
49 Sleep(5);
50 isCompleted = true;
51 }
52 }
53 }
3、運行該控制台應用程序，運行效果（每次運行效果可能不同）如下圖所示：
在上述程序中，我們創建了一個線程執行一個無線循環20毫秒，直到在主線程中將isCompleted變量設置為true。我們可以將此時間設置為20-30秒，然後打開任務管理器，我們可以看到CPU的使用率比較高。
我們使用volatile關鍵字聲明了一個名為“isCompleted”的靜態字段。volatile 關鍵字指示一個字段可以由多個同時執行的線程修改。聲明為 volatile 的字段不受編譯器優化（假定由單個線程訪問）的限制。這樣可以確保該字段在任何時間呈現的都是最新的值。
然後，我們使用SpinWait版本，在第29行代碼處，我們調用了SpinWait的“SpinOnce”方法，執行一次自旋。當SpinWait自旋達到一定次數後，如果有必要當前線程會讓出底層的時間片並觸發上下文切換。在這個版本中，如果我們將第49行代碼的等待時間修改為20~30秒，然後打開任務管理器，可以發現CPU使用率是比較低的。
至此，關於線程同步的知識就學習到這兒！
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