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C#多线程之线程同步3
在上一篇C#多线程之线程同步2中，我们主要学习了AutoResetEvent构造、ManualResetEventSlim构造和CountdownEvent构造，在这一篇中，我们将学习Barrier构造、ReaderWriterLockSlim构造和SpinWait构造。
七、使用Barrier构造
在这一小节中，我们将学习一个比较有意思的同步构造：Barrier。Barrier构造可以帮助我们控制多个等待线程达到指定数量后，才发送通知信号，然后所有等待线程才能继续执行，并且在每次等待线程达到指定数量后，还能执行一个回调方法。具体步骤如下所示：
1、使用Visual Studio 2015创建一个新的控制台应用程序。
2、双击打开“Program.cs”文件，编写代码如下所示：
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、运行该控制台应用程序，运行效果如下图所示：
在第10行代码处，我们创建了一个Barrier的实例barrier，并给其构造方法的“participantCount”参数赋值为2，表示barrier参与线程的数量为2，也就是说要有2个线程达到阻塞后，barrier才发送通知信号，其阻塞线程才能继续执行。第二个参数“postPhaseAction”是一个Action类型的委托，表示当阻塞线程达到规定数量后要执行的回调方法。
在第28~29行代码处，我们创建了2个线程t1和t2，用于执行“PlayMusic”方法。t2线程首先执行到第21行代码处，在这一行代码中，我们在线程t2中调用了barrier的“SignalAndWait”方法，等待参与数量的线程达到构造方法指定的数量2时，才能继续执行，因为，在t2线程调用该方法时，只有一个线程t2被阻塞，没有达到规定数量2，所以，t2线程不能继续执行。当t1线程执行到第21行代码处时，也调用了barrier的“SignalAndWait”方法，这个时候等待线程的数量达到规定的数量2，所以t1和t2线程都能继续执行，并且在barrier的构造方法的第二个参数指定的回调方法也被执行。
当两个线程执行“PlayMusic”方法的第二次循环时，过程与第一次一样，不在描述。
八、使用ReaderWriterLockSlim构造
在这一小节中，我们将学习如何使用ReaderWriterLockSlim构造来线程安全地使用多线程读写集合中的数据。具体步骤如下所示：
1、使用Visual Studio 2015创建一个新的控制台应用程序。
2、双击打开“Program.cs”文件，编写代码如下所示：
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 // 表示用于管理资源访问的锁定状态，可实现多线程读取或进行独占式写入访问 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 // 尝试进入读取模式锁定状态 23 rw.EnterReadLock(); 24 foreach(var key in items.Keys) 25 { 26 Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.1)); 27 } 28 } 29 finally 30 { 31 // 减少读取模式的递归计数，并在生成的计数为 0（零）时退出读取模式 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 // 尝试进入可升级模式锁定状态 45 rw.EnterUpgradeableReadLock(); 46 if (!items.ContainsKey(newKey)) 47 { 48 try 49 { 50 // 尝试进入写入模式锁定状态 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 // 减少写入模式的递归计数，并在生成的计数为 0（零）时退出写入模式 58 rw.ExitWriteLock(); 59 } 60 } 61 Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.1)); 62 } 63 finally 64 { 65 // 减少可升级模式的递归计数，并在生成的计数为 0（零）时退出可升级模式 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、运行该控制台应用程序，运行效果（每次运行效果可能不同）如下图所示：
在第73~75行代码处，我们创建了3个后台线程来读取集合中的数据。在第77~78行代码处，我们创建了2个后台线程向集合中写入数据。为了线程安全地对集合进行操作，我们使用为此场景专门设计的ReaderWriterLockSlim构造。该构造有两种类型的锁：读取模式锁和写入模式锁。读取模式锁允许多线程读取数据，写入模式锁阻塞其他线程的每一个操作直到写入模式锁被释放为止。
有一个非常有趣的场景，当我们想获得一个读取模式锁从集合中读取一些数据，并根据这些数据获得一个写入模式锁以更新集合时，如果我们立即就获得锁定模式锁的话不仅消耗的时间多，而且还不允许我们读取数据，因为当我们获得一个写入模式锁的时候，集合就被锁定了。为了尽量减少这种时间的浪费，我们可以使用“EnterUpgradeableReadLock”方法获得读取模式锁来读取数据，如果读取完毕数据后，我们发现需要更新底层集合，那么我们可以使用“EnterWriteLock”升级我们的锁，然后快速执行写入操作并使用“ExitWriteLock”释放写入模式锁，最后使用“ExitUpgradeableReadLock”释放可升级模式锁。
在上述代码中，我们获得一个随机数，然后获得一个读取模式锁，并检查该随机数是否已在集合中存在，如果不存在，我们升级该读取模式锁为写入模式锁，然后向集合中添加一个新的key。使用try/finally块是一个比较好的方式，它可以保证我们总能释放锁获得的锁。
九、使用SpinWait构造
在这一小节中，我们将学习如何在不涉及kernel-mode构造的情况下等待一个线程的执行。另外还将介绍SpinWait构造，该构造是一种混合同步构造，主要用于设计在用户模式中等待一段时间后，然后将其切换到内核模式，以节省CUP时间。具体步骤如下所示：
1、使用Visual Studio 2015创建一个新的控制台应用程序。
2、双击打开“Program.cs”文件，编写代码如下所示：
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 // 提供对基于自旋的等待的支持 25 var w = new SpinWait(); 26 while (!isCompleted) 27 { 28 // 执行单一自旋 29 w.SpinOnce(); 30 // 获取对 System.Threading.SpinWait.SpinOnce 的下一次调用是否将产生处理器，同时触发强制上下文切换 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、运行该控制台应用程序，运行效果（每次运行效果可能不同）如下图所示：
在上述程序中，我们创建了一个线程执行一个无线循环20毫秒，直到在主线程中将isCompleted变量设置为true。我们可以将此时间设置为20-30秒，然后打开任务管理器，我们可以看到CPU的使用率比较高。
我们使用volatile关键字声明了一个名为“isCompleted”的静态字段。volatile 关键字指示一个字段可以由多个同时执行的线程修改。声明为 volatile 的字段不受编译器优化（假定由单个线程访问）的限制。这样可以确保该字段在任何时间呈现的都是最新的值。
然后，我们使用SpinWait版本，在第29行代码处，我们调用了SpinWait的“SpinOnce”方法，执行一次自旋。当SpinWait自旋达到一定次数后，如果有必要当前线程会让出底层的时间片并触发上下文切换。在这个版本中，如果我们将第49行代码的等待时间修改为20~30秒，然后打开任务管理器，可以发现CPU使用率是比较低的。
至此，关于线程同步的知识就学习到这儿！
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