计算机科学

C#多线程编程

Posted by QXSoftware on December 17, 2016

多线程编程是一个复杂并且很容易出错的事情，为了彻底弄明白多线程编程，我们必须熟知常用的系统组件（比如临界区、信号量等），以及 .Net 的常用类和编程接口。

多线程编程所需的知识点非常多，想要彻底精通非常不容易，因为这涉及到不同的操作系统使用的种类各异的同步工具。不过好在很多基本概念是相通的，所以掌握这些基本概念之后，实际操练起来就容易多了。

基础知识

首先，讨论多线程同步之前，我们需要明确是什么操作系统，不同的操作系统提供了不同的同步工具。

Windows System

在 Windows 平台下，主要有以下 4 种同步工具：

  • 临界区（Critical Section）
  • 互斥量（Mutex）
  • 事件（Event）
  • 信号量（Semaphore）

在以上几种同步工具的基础上，可以扩展出更上层的同步工具，比如：

  • 条件变量（Conditional Variable）
  • 读写锁（Readers Writer Lock）

这些更高级的同步工具是微软在后来的系统版本里面提供的，需要 Windows Server 2008 或者 Windows Vista 及以上才可以使用。当然我们也用一开始说的那 4 个基础设施自己实现条件变量或者读写锁。

Unix-Like System

在类 Unix 系统中，我们主要关注 Pthread（POSIX Threads），这是一个多线程同步标准，大多数类 Unix 系统 (FreeBSD, NetBSD, OpenBSD, Linux, Mac OS X 以及 Solaris) 都支持这个标准。这些 api 被实现到一个库里：libpthread。Windows 操作系统也有对应的支持库：pthread-win32。

pthread 支持的同步工具包括：

  • Mutex
  • Conditional Variable
  • Readers Writer Lock

注意，信号量（Semaphore）可以和 POSIX 线程共同工作，但是它不是线程标准的一部分。所以信号量的 api 是以 “sem_” 开头而不是 “pthread_” 开头的。

C# 中的多线程同步

C# 只是一门语言，使用 C# 的生产环境主要有 .net 和 mono（Unity3D 使用的还是比较老旧的 mono）。mono 是一个由Xamarin公司（先前是Novell，最早为Ximian）所主持的自由开放源代码项目。该项目的目标是创建一系列匹配 ECMA 标准（Ecma-334 和 Ecma-335）的 .net 工具，包括 C# 编译器和通用语言架构。与微软的 .net 不同，mono 不仅可以运行于 Windows 系统上，还可以运行于 Linux，FreeBSD，Unix，Mac OS X 和 Solaris，甚至一些游戏平台，例如：Playstation 3，Wii 和 XBox 360。现在世界上的手机基本上只有 Android（基于 Linux 系统扩展，开源）和 iOS（基于 Unix 扩展，闭源），mono 的出现让一份 C# 代码运行在几乎所有设备上成为了可能。

.net 主要支持以下同步工具：

  • Monitor（Conditional Variable）
  • Mutex
  • Semaphore
  • AutoResetEvent
  • ManualResetEvent
  • ReaderWriterLock
  • Interlocked

可以看到，.net 在跨平台这块儿做了很多努力。

可重入性

在计算机科学中，可重入性表示一个函数或者程序可以在执行到一半时被中断，然后成功地从中断返回并正确执行完毕。注意，这里的中断，可以由内部的 call 或者 jump 触发，也可以由硬件触发，或者是信号触发。

总的来说，函数中如果操纵了全局变量，那么这个函数就是不可重入的。

最后一点，线程安全和可重入紧密相关，但却是两个不同的概念。一个函数可以是线程安全的，但同时也可以是不可重入的。比如有以下代码：


int function()
{
    mutex_lock();
    // ...
    function body
    // ...
    mutex_unlock();
}

这段代码是“线程安全”的，但是不是“可重入”的。如果有多个线程同时执行这个函数，这是没问题的，但是如果这个函数被用作“中断处理函数”，那么第二个中断处理将无法获取互斥体并且阻塞，这可能导致整个系统遭殃。

进阶

前面说了半天，还是不知道怎么写代码。现在进入正题，如何使用 C#（.net）进行多线程编程。

首先，C# 中有个关键字 lock，lock 是 C# 的语法糖之一。


lock (x)
{
    DoSomething();
}

等价于：


System.myLockect myLock = (System.myLockect)x;
System.Threading.Monitor.Enter(myLock);
try
{
    DoSomething();
}
finally
{
    System.Threading.Monitor.Exit(myLock);
}

Monitor.Enter() 相当于进入临界区（Critical Section），这个操作是互斥的，一旦一个线程进入了临界区，那么别的线程就会阻塞。这是最简单也是最常见的同步手段。

Monitor 还有另外两个方法，Monitor.Wait() 和 Monitor.Pulse()。这两个方法常用语同一个进程内的多个线程之间的同步和通信。这和条件变量（Conditional Variable）的功能是一样的，但是 Monitor 底层实现并没有使用条件变量。


void produce()
{
    lock(myLock)
    {
        while(q.is_full())
            Monitor.Wait(myLock);
        q.put(date);
        Monitor.Pulse(myLock);
    }
}

void consume()
{
    lock(myLock)
    {
        while(q.is_empty())
            Monitor.Wait(myLock);
        data = q.get();
        Monitor.Pulse(myLock);
    }
}

上面的代码片段展示了一个典型的生产者消费者问题，produce 负责生产数据，但是如果消费者正在访问数据，或者队列满了，都必须阻塞生产。

produce 第一步是通过 lock(myLock) 获取锁，如果这时消费者正在访问数据，则这一步就阻塞。如果 produce 成功获取了锁，这时就需要检测队列是否已经满了，如果满了也需要阻塞，这时 Monitor.Wait(myLock) 会释放锁，并且使 produce 线程进入睡眠状态；如果队列未满，就往队列放入一个数据，并且通过 Monitor.Pulse(myLock) 通知可能处于 wait 状态的 consume 线程。

注意，如果 produce 执行 Monitor.Pulse(myLock) 时，consume 并没有处于 wait 状态，则这次 Pulse 没有任何作用。

.net 要求 Monitor.Pulse() 必须在获取锁之后调用，否则就会抛异常。但是 POSIX Threads 的 Conditional Variable 并没有这个要求，《Unix 网络编程》里面甚至鼓励在释放锁之后再 Pulse（第 7 章，互斥锁和条件变量，避免上锁冲突）。

高级篇

上面的生产者消费者代码例子中，调用 Monitor.Wait(myLock) 是在一个 while 循环中执行的，这个地方为何需要 while 循环呢？原因是这样写可以使代码更健壮，而且可以防止虚假唤醒（Spurious wakeup）带来的问题。

在 Windows 以及 POSIX Threads 的 API 中，一个条件变量可能从 wait 状态唤醒，哪怕没有任何线程调用过 Pulse，而且虚假唤醒可能会多次发生，所以正确的做法是反复检测等待条件。

C# 的 Monitor.Wait 并没有使用条件变量，所以可以幸免于虚假唤醒的问题。但是使用 while 循环包裹 wait 是个不错的选择，因为它总是正确的。

参考资料：

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