C#多线程编程实例实战

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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_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。

#p#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 )



  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=)", threadNum);

  Thread.Sleep(250);

  Console.WriteLine("Stop Resource reading (Thread=)", threadNum);
     }

  finally {  rwl.ReleaseReaderLock();

  }   }

  public void Write(Int32 threadNum) {
  rwl.AcquireWriterLock(Timeout.Infinite);
  try {
  Console.WriteLine("Start Resource writing (Thread=)", threadNum);
  Thread.Sleep(750);
  Console.WriteLine("Stop Resource writing (Thread=)", threadNum);
    }

  finally    }
  }
  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();
  }
  }