C#多线程编程实例实战

刘弹 2003-6-1

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。

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# 实现分析

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