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。
   
   　　测试
   
   　　测试程序取自.Net FrameSDK中的一个例子，只是稍做修改。测试程序如下，
   
   using System;
   
   using System.Threading;
   
   using MyThreading;
   
   class Resource {
   
   myReaderWriterLock rwl = new myReaderWriterLock();
   
   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();
   
   }
   
   }
   
   　　从测试结果中可以看出，可以满足单个写入程序/多个阅读程序的实现要求。