C#線程系列講座(4):同步與死鎖



雖然線程可以在一定程度上提高程序運行的效率,但也會產生一些副作用。讓我們先看看如下的代碼:

複製代碼
    class Increment
     {
        
private int n = 0;
        
private int max;
        
public Increment(int max)
         {
            
this.max = max;
         }
        
public int result
         {
            
get
             {
                
return n;
             }
            
set
             {
                 n 
= value;
             }
         }
        
public void Inc()
         {            
            
for (int i = 0; i < max; i++)
             {
                 n
++;
             }
         }
     }
    
class Program
     {
        
public static void Main()
         {
             Increment inc 
= new Increment(10000);
             Thread[] threads 
= new Thread[30];
            
for (int i = 0; i < threads.Length; i++)
             {
                 threads[i] 
= new Thread(inc.Inc);
                 threads[i].Start();
             }
            
for (int i = 0; i < threads.Length; i++)
             {
                 threads[i].Join();  
// 等待30個線程都執行完
             }
             Console.WriteLine(inc.result);  
//輸出n的值

         }

}

複製代碼

 

    上面的程序的基本功能是使用Increment的Inc方法爲n遞增max,所不同的是,將在Main方法中啓動30個線程同時執行Inc方法。在本例中max的值是10000(通過Increment的構造方法傳入)。讀者可以運行一下這個程序,正常的結果應該是300000,但通常不會得到這個結果,一般獲得的結果都比300000小。其中的原因就是Inc方法中的n++上,雖然從表面上看,n++只是一條簡單的自增語言,但從底層分析,n++的IL代碼如下:

ldsfld // 獲得n的初始值,並壓到方法棧中

ldc.i4.1 // 將1壓到方法棧中

add // 從方法棧中彈出最頂端的兩個值,相加,然後將結果保存在方法棧中

stfld // 從當前方法棧中彈出一個值,並更新類字段n

    對於上面每一條IL語句是線程安全的,但是n++這條C#語句需要上面的四步才能完成,因此,n++這條語句並不是線程安全的。只要在執行stfld指令之前的任何一步由於其他線程獲得CPU而中斷,那麼就會出現所謂的“髒”數據。

    假設n的初始值爲0, 在thread1在執行完ldc.i4.1後被thread2中斷(add指令並未執行),這時thread2獲得的n的初始值仍然是0,假設thread2順利執行完,那麼這時n的值已經是1了,當thread2執行完後,thread1繼續執行add指令,並且thread1也順利執行完,這時,在thread1中的執行結果n仍然是1。因此,這也就出現了調用兩次n++,n仍然爲1的情況。要解決這個問題的方法也很容易想到,就是讓上述四條IL語句要不都不執行,要執行就都執行完,這有點事務處理的意思。

    在C#中解決這個問題的技術叫同步。同步的本質就是爲某一個代碼塊加鎖,使其成爲一個整體,共同進退。最簡單的是使用lock爲代碼塊加鎖。這個語句在前幾講已經多次使用過了。lock語句可以鎖定任何的對象,如果鎖定的是類成員,直接使用lock(obj)的形式即可,如果鎖定的是靜態成員,可以把鎖主在object類型上,代碼如下:

lock(typeof(StaticClass))

{

   ... ...

}

 

    對於Increment類,我們可以鎖定n++,也可以鎖定Inc方法,如鎖定n++Increment類的代碼如下:

複製代碼
    class Increment
     {
        
private int n = 0;
        
private int max;
        
private Object lockN = new Object();
        
public Increment(int max)
         {
            
this.max = max;
         }
        
public int result
         {
            
get
             {
                
return n;
             }
            
set
             {
                 n 
= value;
             }
         }

        
private void IncN()
         {
            
lock (lockN)
             {
                 n
++;
             }
         }
        
public void Inc()
         {
            
for (int i = 0; i < max; i++)
             {
                   IncN();
             }           
         }
     }
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    也可以直接將如下的代碼放到for循環中取代調用IncN方法,


lock (lockN)
{
      n
++;
}

 

或者直接將Inc方法鎖住,代碼如下: 

複製代碼
        public void Inc()
         {
            
lock (lockN)
             {
                
for (int i = 0; i < max; i++)
                 {
                     n
++;
                 }
             }
         }
複製代碼

    但筆者並不建議直接將Inc鎖住,因爲這樣就和單線程沒什麼區別了,雖然可以避免出現讀髒數據的情況,但卻犧牲的效率。

    從本例分析得知,產生問題的原因就是因爲n++不是原子操作。而在.net framework中提供了一個Interlocked類,可以使n++變成原子操作。Interlocked有一些方法,可以保證對變量的操作是原子的,如Increment方法保證n++的操作是原子的,Decrement方法保證n--的操作是原子的,Exchange方法保證爲變量賦值的操作是原子的。因此,可以使用Increment方法來替換n++,代碼如下:

複製代碼
public void Inc()
{
    
for (int i = 0; i < max; i++)
     {
         Interlocked.Increment(
ref n);
     }
}
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    任何事物都具有兩面性,同步技術也不例外,在某些情況下,可以由於兩個線程互相鎖定某些對象而造成死鎖(就是兩個線程互相等待對方釋放對象)。這就象有兩個學生晚上在複習功課,他們都希望學習能超過對方,而且他們都很累了,但是誰也不肯先休息,是都在盯着對方屋裏的燈,期望着對方休息後。自己才休息。但卻誰也不肯先關燈,所以他們就只有這樣耗到天亮了。當然,解決這個問題的方法有兩個,第一個就是其中一個學生或兩個學生根本就不關心對方是否先睡覺,自己學累了就直接關燈了。當然,另外一個方法就有點暴力了,就是到點就直接斷電,那誰也別學了(這也相當於線程中斷,不過不到萬不得以時最好別用這招)。

    讓我們先舉一個線程死鎖的例子,代碼如下:

複製代碼
    class Program
     {
        
private static Object objA = new Object();
        
private static Object objB = new Object();
        
public static void LockA()
         {
            
lock (objA)
             {
                 Thread.Sleep(
1000);
                
lock (objB)
                 {
                 }
             }
             Console.WriteLine(
"LockA");
         }
        
public static void LockB()
         {
            
lock (objB)
             {
                 Thread.Sleep(
2000);
                
lock (objA)
                 {
                 }
             }
             Console.WriteLine(
"LockB");
         }
        
public static void Main()
         {
             Thread threadA 
= new Thread(LockA);
             Thread threadB 
= new Thread(LockB);
             threadA.Start();
             threadB.Start();
         }
     }
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    在上面的代碼中,LockA方法會在當前線程中執行完Lock(objA)後延遲1秒,而LockB方法會在執行完lock(objB)後延遲2秒,一般LockA會先執行lock(objB),但這時objB已經被LockB鎖住了,而且LockB還在延遲(2秒還沒到)。在這時,LockA已經將objA和objB都鎖上了,當LockB執行到lock(objA)時,由於objA已經被鎖上,因此,LockB就被阻塞了。而LockA在執行到lock(objB)時,由於這時LockA還在延遲,因此,objB也被鎖住了。LockA和LockB也就相當於上述的兩個學生,互相等待對方關燈,但誰也不肯先關燈,所以就死鎖了。如果採用第一種方法非常簡單,就是保持被鎖定的多個對象的順序,如將LockB方法的鎖定順序換一下,代碼如下:

複製代碼
public static void LockB()
{
    
lock (objA)
     {
          Thread.Sleep(
2000);
          
lock (objB)
           {
           }
     }
     Console.WriteLine(
"LockB");
}
複製代碼

 

 

    或是將LockA方法也改一下,先鎖objB,再鎖objA。

    當然,也可以採用暴力一點的方法,當發現一些線程長時間沒反應時,可以使用Abort方法強行中斷它們。代碼如下:
複製代碼
public static void Main()
{
      Thread threadA 
= new Thread(LockA);
      Thread threadB 
= new Thread(LockB);
      threadA.Start();
      threadB.Start();

      Thread.Sleep(
4000);

      threadA.Abort();
      threadB.Abort();
      Console.WriteLine(
"線程全部結束");
}
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