前言
當(dāng)線程池的線程阻塞時(shí)，線程池會(huì)創(chuàng)建額外的線程，而創(chuàng)建、銷毀和調(diào)度線程所需要相當(dāng)昂貴的內(nèi)存資源，另外，很多的開(kāi)發(fā)人員看見(jiàn)自己程序的線程沒(méi)有做任何有用的事情時(shí)習(xí)慣創(chuàng)建更多的線程，為了構(gòu)建可伸縮、響應(yīng)靈敏的程序，我們?cè)谇懊娼榻B了線程也瘋狂-----異步編程。
但是異步編程同樣也存在著很嚴(yán)重的問(wèn)題，如果兩個(gè)不同的線程訪問(wèn)相同的變量和數(shù)據(jù)，按照我們異步函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，不可能存在兩個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)相同的數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候我們就需要線程同步。多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)的時(shí)，線程同步能防止數(shù)據(jù)損壞，之所以強(qiáng)調(diào)同時(shí)這個(gè)概念，因?yàn)榫€程同步本質(zhì)就是計(jì)時(shí)問(wèn)題。
異步和同步是相對(duì)的，同步就是順序執(zhí)行，執(zhí)行完一個(gè)再執(zhí)行下一個(gè)，需要等待、協(xié)調(diào)運(yùn)行。異步就是彼此獨(dú)立,在等待某事件的過(guò)程中繼續(xù)做自己的事，不需要等待這一事件完成后再工作。線程就是實(shí)現(xiàn)異步的一個(gè)方式。異步是讓調(diào)用方法的主線程不需要同步等待另一線程的完成，從而可以讓主線程干其它的事情。
基元用戶模式和內(nèi)核模式構(gòu)造
基礎(chǔ)概念
基元：可以在代碼中使用的簡(jiǎn)單的構(gòu)造
用戶模式：通過(guò)特殊的CPU指令協(xié)調(diào)線程，操作系統(tǒng)永遠(yuǎn)檢測(cè)不到一個(gè)線程在基元用戶模式的構(gòu)造上阻塞。
內(nèi)核模式：由windows自身提供，在應(yīng)用程序的線程中調(diào)用由內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的函數(shù)。
用戶模式構(gòu)造
易變構(gòu)造
C#編譯器、JIT編譯器和CPU都會(huì)對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，它們盡量保證保留我們的意圖，但是從多線程的角度出發(fā)，我們的意圖并不一定會(huì)得到保留，下面舉例說(shuō)明：
1 static void Main(string[] args) 2 { 3 Console.WriteLine("讓worker函數(shù)運(yùn)行5s后停止"); 4 var t = new Thread(Worker); 5 t.Start(); 6 Thread.Sleep(5000); 7 stop = true; 8 9 Console.ReadLine();10 }11 12 private static bool stop = false;13 14 private static void Worker(object obj)15 {16 int x = 0;17 while (!stop)18 {19 x++;20 }21 Console.WriteLine("worker函數(shù)停止x=｛0｝",x);22 }
編譯器如果檢查到stop為false，就生成代碼來(lái)進(jìn)入一個(gè)無(wú)限循環(huán)，并在循環(huán)中一直遞增x，所以優(yōu)化循環(huán)很快完成，但是編譯器只檢測(cè)stop一次，并不是每次都會(huì)檢測(cè)。
例子2---兩個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)：
1 class test 2 { 3 private static int m_flag = 0; 4 5 private static int m_value = 0; 6 7 public static void Thread1(object obj) 8 { 9 m_value = 5;10 m_flag = 1;11 12 }13 14 public static void Thread2(object obj)15 {16 if (m_flag == 1)17 Console.WriteLine("m_value = {0}", m_value);18 }19 20 //多核CPU機(jī)器才會(huì)出現(xiàn)線程同步問(wèn)題21 public void Exec()22 {23 var thread1 = new Thread(Thread1);24 var thread2 = new Thread(Thread2);25 thread1.Start();26 thread2.Start();27 Console.ReadLine();28 }29 }
程序在執(zhí)行的時(shí)候，編譯器必須將變量m_flag和m_value從RAM讀入CPU寄存器，RAM先傳遞m_value的值0，thread1把值變?yōu)?，但是thread2并不知道thread2仍然認(rèn)為值為0,這種問(wèn)題一般來(lái)說(shuō)發(fā)生在多核CPU的概率大一些，應(yīng)該CPU越多，多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)資源的幾率就越大。
關(guān)鍵字volatile，作用禁止C#編譯器、JTP編譯器和CPU執(zhí)行的一些優(yōu)化，如果做用于變量后，將不允許字段緩存到CPU的寄存器中，確保字段的讀寫都在RAM中進(jìn)行。
互鎖構(gòu)造
System.Threading.Interlocked類中的每個(gè)方法都執(zhí)行一次原子的讀取以及寫入操作，調(diào)用某個(gè)Interlocked方法之前的任何變量寫入都在這個(gè)Interlocked方法調(diào)用之前執(zhí)行，而調(diào)用之后的任何變量讀取都在這個(gè)調(diào)用之后讀取。
Interlocked方法主要是對(duì)INT32變量進(jìn)行靜態(tài)操作Add、Decrement、Compare、Exchange、CompareChange等方法，也接受object、Double等類型的參數(shù)。
原子操作：是指不會(huì)被線程調(diào)度機(jī)制打斷的操作；這種操作一旦開(kāi)始，就一直運(yùn)行到結(jié)束，中間不會(huì)有任何 context switch （切換到另一個(gè)線程）。
代碼演示：
說(shuō)明：通過(guò)Interlocked的方法異步查詢幾個(gè)web服務(wù)器，并同時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)，且結(jié)果只執(zhí)行一次。
//上報(bào)狀態(tài)類型
enum CoordinationStatus
{
Cancel,
Timeout,
AllDone
}
1 class AsyncCoordinator 2 { 3 //AllBegun 內(nèi)部調(diào)用JustEnded來(lái)遞減它 4 private int _mOpCount = 1; 5 6 //0=false,1=true 7 private int _mStatusReported = 0; 8 9 private Action<CoordinationStatus> _mCallback;10 11 private Timer _mTimer;12 13 //發(fā)起一個(gè)操作之前調(diào)用14 public void AboutToBegin(int opsToAdd = 1)15 {16 Interlocked.Add(ref _mOpCount, opsToAdd);17 }18 19 //處理好一個(gè)操作的結(jié)果之后調(diào)用20 public void JustEnded()21 {22 if (Interlocked.Decrement(ref _mOpCount) == 0)23 {24 ReportStatus(CoordinationStatus.AllDone);25 }
26 }27 28 //該方法必須在發(fā)起所有操作后調(diào)用29 public void AllBegin(Action<CoordinationStatus> callback, int timeout = Timeout.Infinite)30 {31 _mCallback = callback;32 if (timeout != Timeout.Infinite)33 {34 _mTimer = new Timer(TimeExpired, null, timeout, Timeout.Infinite);35 JustEnded();36 }37 }38 39 private void TimeExpired(object o)40 {41 ReportStatus(CoordinationStatus.Timeout);42 }43 44 public void Cancel()45 {46 ReportStatus(CoordinationStatus.Cancel);47 }48 49 private void ReportStatus(CoordinationStatus status)50 {51 //如果狀態(tài)從未報(bào)告過(guò)，就報(bào)告它，否則就忽略它，只調(diào)用一次52 if (Interlocked.Exchange(ref _mStatusReported, 1) == 0)53 {54 _mCallback(status);55 }
56 }57 }
1 class MultiWebRequest 2 { 3 //輔助類 用于協(xié)調(diào)所有的異步操作 4 private AsyncCoordinator _mac = new AsyncCoordinator(); 5 6 protected Dictionary<string,object> _mServers = new Dictionary<string, object> 7 { 8 {"http://www.baidu.com",null},{"http://www.Microsoft.com",null},{"http://www.cctv.com",null}, 9 {"http://www.souhu.com",null},{"http://www.sina.com",null},{"http://www.tencent.com",null},10 {"http://www.youku.com",null}11 };12 13 private Stopwatch sp;14 public MultiWebRequest(int timeout = Timeout.Infinite)15 {16 sp = new Stopwatch();17 sp.Start();18 //通過(guò)異步方式一次性發(fā)起請(qǐng)求19 var httpclient = new HttpClient();20 21 foreach (var server in _mServers.Keys)22 {23 _mac.AboutToBegin(1);24 25 httpclient.GetByteArrayAsync(server).ContinueWith(task => ComputeResult(server, task));26 }27 _mac.AllBegin(AllDone,timeout);28 Console.WriteLine("");29 }30 31 private void ComputeResult(string server, Task<Byte[]> task)32 {33 object result;34 if (task.Exception != null)35 {36 result = task.Exception.InnerException;37 }38 else39 {40 //線程池處理IO41 result = task.Result.Length;42 }43 44 //保存返回結(jié)果的長(zhǎng)度45 _mServers[server] = result;46 47 _mac.JustEnded();48 }49 50 public void Cancel()51 {52 _mac.Cancel();53 }54 55 private void AllDone(CoordinationStatus status)56 {57 sp.Stop();58 Console.WriteLine("響應(yīng)耗時(shí)總計(jì){0}",sp.Elapsed);59 switch (status)60 {61 case CoordinationStatus.Cancel:62 Console.WriteLine("操作取消");63 break;64 case CoordinationStatus.AllDone:65 Console.WriteLine("操作完成，完成的結(jié)果如下");66 foreach (var server in _mServers)67 {68 Console.WriteLine("{0}",server.Key);69 object result = server.Value;70 if (result is Exception)71 {72 Console.WriteLine("錯(cuò)誤原因{0}",result.GetType().Name);73 }74 else75 {76 Console.WriteLine("返回字節(jié)數(shù)為：{0}",result);77 }78 }79 break;80 case CoordinationStatus.Timeout:81 Console.WriteLine("操作超時(shí)");82 break;83 default:84 throw new ArgumentOutOfRangeException("status", status, null);85 }86 }87 }
非常建議大家參考一下以上代碼，我在對(duì)服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，也會(huì)常常參考這個(gè)模型。
簡(jiǎn)單的自旋鎖
1 class SomeResource 2 { 3 private SimpleSpinLock s1 = new SimpleSpinLock(); 4 5 public void AccessResource() 6 { 7 s1.Enter(); 8 //一次是有一個(gè)線程才能進(jìn)入訪問(wèn) 9 s1.Leave();10 11 }12 }13 14 class SimpleSpinLock15 {16 private int _mResourceInUse;17 18 public void Enter()19 {20 while (true)21 {22 if(Interlocked.Exchange(ref _mResourceInUse,1)==0)23 return;24 }25 }26 27 public void Leave()28 {29 Volatile.Write(ref _mResourceInUse,1);30 }31 }
這就是一個(gè)線程同步鎖的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，這種鎖的最大問(wèn)題在于，存在競(jìng)爭(zhēng)的情況下會(huì)造成線程的“自旋”，這會(huì)浪費(fèi)CPU的寶貴時(shí)間，組織CPU做更多的工作，因此，這種自旋鎖應(yīng)該用于保護(hù)那些執(zhí)行的非?？斓拇a。
下篇我們將繼續(xù)講解線程同步，內(nèi)核模式構(gòu)造和混合線程同步構(gòu)造，希望這些內(nèi)容可以幫助到大家一起成長(zhǎng)，如果發(fā)現(xiàn)博客有什么錯(cuò)誤請(qǐng)及時(shí)提出寶貴意見(jiàn)，以免造成誤導(dǎo)！
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