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C#多线程编程实例实战

单个写入程序/多个阅读程序在.Net类库中其实已经提供了实现,即System.Threading.ReaderWriterLock类。本文通过对常见的单个写入/多个阅读程序的分析来探索c#的多线程编程。

问题的提出

所谓单个写入程序/多个阅读程序的线程同步问题,是指任意数量的线程访问共享资源时,写入程序(线程)需要修改共享资源,而阅读程序(线程)需要读取数据。在这个同步问题中,很容易得到下面二个要求:

1)当一个线程正在写入数据时,其他线程不能写,也不能读。

2)当一个线程正在读入数据时,其他线程不能写,但能够读。

在数据库应用程序环境中经常遇到这样的问题。比如说,有n个最终用户,他们都要同时访问同一个数据库。其中有m个用户要将数据存入数据库,n-m个用户要读取数据库中的记录。

很显然,在这个环境中,我们不能让两个或两个以上的用户同时更新同一条记录,如果两个或两个以上的用户都试图同时修改同一记录,那么该记录中的信息就会被破坏。

我们也不让一个用户更新数据库记录的同时,让另一用户读取记录的内容。因为读取的记录很有可能同时包含了更新和没有更新的信息,也就是说这条记录是无效的记录。

实现分析

规定任一线程要对资源进行写或读操作前必须申请锁。根据操作的不同,分为阅读锁和写入锁,操作完成之后应释放相应的锁。将单个写入程序/多个阅读程序的要求改变一下,可以得到如下的形式:

一个线程申请阅读锁的成功条件是:当前没有活动的写入线程。

一个线程申请写入锁的成功条件是:当前没有任何活动(对锁而言)的线程。

因此,为了标志是否有活动的线程,以及是写入还是阅读线程,引入一个变量m_nActive,如果m_nActive > 0,则表示当前活动阅读线程的数目,如果m_nActive=0,则表示没有任何活动线程,m_nActive <0,表示当前有写入线程在活动,注意m_nActive<0,时只能取-1的值,因为只允许有一个写入线程活动。

为了判断当前活动线程拥有的锁的类型,我们采用了线程局部存储技术(请参阅其它参考书籍),将线程与特殊标志位关联起来。

申请阅读锁的函数原型为:public void AcquireReaderLock( int millisecondsTimeout ),其中的参数为线程等待调度的时间。函数定义如下:
  public void AcquireReaderLock( int millisecondsTimeout )
  {
  // m_mutext很快可以得到,以便进入临界区
  m_mutex.WaitOne( );
  // 是否有写入线程存在
  bool bExistingWriter = ( m_nActive < 0 );
  if( bExistingWriter )
  { //等待阅读线程数目加1,当有锁释放时,根据此数目来调度线程
  m_nWaitingReaders++;
  }

  else
  { //当前活动线程加1
  m_nActive++;
  }
  m_mutex.ReleaseMutex();
  //存储锁标志为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 )
  { //等待指定的时间
  this.m_aeReaders.WaitOne( millisecondsTimeout, true );   }   } 

它首先进入临界区(用以在多线程环境下保证活动线程数目的操作的正确性)判断当前活动线程的数目,如果有写线程(m_nActive<0)存在,则等待指定的时间并且等待的阅读线程数目加1。如果当前活动线程是读线程(m_nActive>=0),则可以让读线程继续运行。

申请写入锁的函数原型为:public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout ),其中的参数为等待调度的时间。函数定义如下:

  public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout )
  {
  // m_mutext很快可以得到,以便进入临界区
  m_mutex.WaitOne( );
  // 是否有活动线程存在
  bool bNoActive = m_nActive == 0;
  if( !bNoActive )
  {   m_nWaitingWriters++;   }
  else
  {   m_nActive--;   }

  m_mutex.ReleaseMutex();
  //存储线程锁标志
  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 ) );   }

  //如果有活动线程,等待指定的时间
  if( !bNoActive )
  this.m_aeWriters.WaitOne( millisecondsTimeout, true );
  } 

它首先进入临界区判断当前活动线程的数目,如果当前有活动线程存在,不管是写线程还是读线程(m_nActive),线程将等待指定的时间并且等待的写入线程数目加1,否则线程拥有写的权限。

释放阅读锁的函数原型为:public void ReleaseReaderLock()。函数定义如下:
  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();
  } 

释放阅读锁时,首先判断当前线程是否拥有阅读锁(通过线程局部存储的标志),然后判断是否有等待的阅读线程,如果有,先将当前活动线程加1,等待阅读线程数目减1,然后置事件为有信号。如果没有等待的阅读线程,判断是否有等待的写入线程,如果有则活动线程数目减1,等待的写入线程数目减1。释放写入锁与释放阅读锁的过程基本一致,可以参看源代码。

注意在程序中,释放锁时,只会唤醒一个阅读程序,这是因为使用AutoResetEvent的原历,读者可自行将其改成ManualResetEvent,同时唤醒多个阅读程序,此时应令m_nActive等于整个等待的阅读线程数目。

申请写入锁的函数原型为:public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout ),其中的参数为等待调度的时间。函数定义如下:
  public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout )
  {
  // m_mutext很快可以得到,以便进入临界区
  m_mutex.WaitOne( );
  // 是否有活动线程存在
  bool bNoActive = m_nActive == 0;
  if( !bNoActive )
  {   m_nWaitingWriters++;   }
  else
  {   m_nActive--;   }

  m_mutex.ReleaseMutex();
  //存储线程锁标志
  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 ) );   }

  //如果有活动线程,等待指定的时间
  if( !bNoActive )
  this.m_aeWriters.WaitOne( millisecondsTimeout, true );
  } 

它首先进入临界区判断当前活动线程的数目,如果当前有活动线程存在,不管是写线程还是读线程(m_nActive),线程将等待指定的时间并且等待的写入线程数目加1,否则线程拥有写的权限。

释放阅读锁的函数原型为:public void ReleaseReaderLock()。函数定义如下:
  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();
  }

释放阅读锁时,首先判断当前线程是否拥有阅读锁(通过线程局部存储的标志),然后判断是否有等待的阅读线程,如果有,先将当前活动线程加1,等待阅读线程数目减1,然后置事件为有信号。如果没有等待的阅读线程,判断是否有等待的写入线程,如果有则活动线程数目减1,等待的写入线程数目减1。释放写入锁与释放阅读锁的过程基本一致,可以参看源代码。

注意在程序中,释放锁时,只会唤醒一个阅读程序,这是因为使用AutoResetEvent的原历,读者可自行将其改成ManualResetEvent,同时唤醒多个阅读程序,此时应令m_nActive等于整个等待的阅读线程数目。


文章标题:C#多线程编程实例实战

文章链接:http://xiazai.zol.com.cn/jiqiao/50314.html

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