C#線程：線程池和文件下載服務(wù)器

作者：yizhiduxiu11 2009-08-04 17:18:02

本文繼續(xù)C#線程系列講座之三，即線程池和文件下載服務(wù)器。

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

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(gè)線程都執(zhí)行完  
          }  
          Console.WriteLine(inc.result);  //輸出n的值  
 
      }  
 
  }

上面的程序的基本功能是使用Increment的Inc方法為n遞增max，所不同的是，將在Main方法中啟動(dòng)30個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行Inc方法。在本例中max的值是10000（通過(guò)Increment的構(gòu)造方法傳入）。讀者可以運(yùn)行一下這個(gè)程序，正常的結(jié)果應(yīng)該是300000，但通常不會(huì)得到這個(gè)結(jié)果，一般獲得的結(jié)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(jiǎn)單的自增語(yǔ)言，但從底層分析，n++的IL代碼如下：

ldsfld // 獲得n的初始值，并壓到方法棧中  
 
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(gè)值，相加，然后將結(jié)果保存在方法棧中  
 
stfld // 從當(dāng)前方法棧中彈出一個(gè)值，并更新類字段n

對(duì)于上面每一條IL語(yǔ)句是線程安全的，但是n++這條C#語(yǔ)句需要上面的四步才能完成，因此，n++這條語(yǔ)句并不是線程安全的。只要在執(zhí)行stfld指令之前的任何一步由于其他線程獲得CPU而中斷，那么就會(huì)出現(xiàn)所謂的“臟”數(shù)據(jù)。

假設(shè)n的初始值為0，在thread1在執(zhí)行完ldc.i4.1后被thread2中斷（add指令并未執(zhí)行），這時(shí)thread2獲得的n的初始值仍然是0，假設(shè)thread2順利執(zhí)行完，那么這時(shí)n的值已經(jīng)是1了，當(dāng)thread2執(zhí)行完后，thread1繼續(xù)執(zhí)行add指令，并且thread1也順利執(zhí)行完，這時(shí)，在thread1中的執(zhí)行結(jié)果n仍然是1。因此，這也就出現(xiàn)了調(diào)用兩次n++，n仍然為1的情況。要解決這個(gè)問(wèn)題的方法也很容易想到，就是讓上述四條IL語(yǔ)句要不都不執(zhí)行，要執(zhí)行就都執(zhí)行完，這有點(diǎn)事務(wù)處理的意思。

在C#線程中解決這個(gè)問(wèn)題的技術(shù)叫同步。同步的本質(zhì)就是為某一個(gè)代碼塊加鎖，使其成為一個(gè)整體，共同進(jìn)退。最簡(jiǎn)單的是使用lock為代碼塊加鎖。這個(gè)語(yǔ)句在前幾講已經(jīng)多次使用過(guò)了。lock語(yǔ)句可以鎖定任何的對(duì)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(tài)成員，可以把鎖主在object類型上，代碼如下：

lock(typeof(StaticClass))  
 
{  
 
   ... ...  
 
}

對(duì)于Increment類，我們可以鎖定n++，也可以鎖定Inc方法，如鎖定n++的Increment類的代碼如下：

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();  
         }             
     }  
 }

也可以直接將如下的代碼放到for循環(huán)中取代調(diào)用IncN方法，

lock (lockN)  
 {  
     n++;  
 }

或者直接將Inc方法鎖住，代碼如下：

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

但筆者并不建議直接將Inc鎖住，因?yàn)檫@樣就和單線程沒(méi)什么區(qū)別了，雖然可以避免出現(xiàn)讀臟數(shù)據(jù)的情況，但卻犧牲的效率。

從本例分析得知，產(chǎn)生問(wèn)題的原因就是因?yàn)閚++不是原子操作。而在.net framework中提供了一個(gè)Interlocked類，可以使n++變成原子操作。Interlocked有一些方法，可以保證對(duì)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方法保證為變量賦值的操作是原子的。因此，可以使用Increment方法來(lái)替換n++，代碼如下：

public void Inc()  
{  
    for (int i = 0; i <  max; i++)  
    {  
        Interlocked.Increment(ref n);  
    }  
}

任何事物都具有兩面性，同步技術(shù)也不例外，在某些情況下，可以由于兩個(gè)線程互相鎖定某些對(duì)象而造成死鎖（就是兩個(gè)線程互相等待對(duì)方釋放對(duì)象）。這就象有兩個(gè)學(xué)生晚上在復(fù)習(xí)功課，他們都希望學(xué)習(xí)能超過(guò)對(duì)方，而且他們都很累了，但是誰(shuí)也不肯先休息，是都在盯著對(duì)方屋里的燈，期望著對(duì)方休息后。自己才休息。但卻誰(shuí)也不肯先關(guān)燈，所以他們就只有這樣耗到天亮了。當(dāng)然，解決這個(gè)問(wèn)題的方法有兩個(gè)，***個(gè)就是其中一個(gè)學(xué)生或兩個(gè)學(xué)生根本就不關(guān)心對(duì)方是否先睡覺(jué)，自己學(xué)累了就直接關(guān)燈了。當(dāng)然，另外一個(gè)方法就有點(diǎn)暴力了，就是到點(diǎn)就直接斷電，那誰(shuí)也別學(xué)了（這也相當(dāng)于線程中斷，不過(guò)不到萬(wàn)不得以時(shí)***別用這招）。

讓我們先舉一個(gè)線程死鎖的例子，代碼如下：

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();  
     }  
 }

在上面的代碼中，LockA方法會(huì)在當(dāng)前線程中執(zhí)行完Lock(objA)后延遲1秒，而LockB方法會(huì)在執(zhí)行完lock(objB)后延遲2秒，一般LockA會(huì)先執(zhí)行l(wèi)ock(objB），但這時(shí)objB已經(jīng)被LockB鎖住了，而且LockB還在延遲（2秒還沒(méi)到）。在這時(shí)，LockA已經(jīng)將objA和objB都鎖上了，當(dāng)LockB執(zhí)行到lock(objA)時(shí)，由于objA已經(jīng)被鎖上，因此，LockB就被阻塞了。而LockA在執(zhí)行到lock(objB）時(shí)，由于這時(shí)LockA還在延遲，因此，objB也被鎖住了。LockA和LockB也就相當(dāng)于上述的兩個(gè)學(xué)生，互相等待對(duì)方關(guān)燈，但誰(shuí)也不肯先關(guān)燈，所以就死鎖了。如果采用***種方法非常簡(jiǎn)單，就是保持被鎖定的多個(gè)對(duì)象的順序，如將LockB方法的鎖定順序換一下，代碼如下：

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

或是將LockA方法也改一下，先鎖objB，再鎖objA。

當(dāng)然，也可以采用暴力一點(diǎn)的方法，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一些線程長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)反應(yīng)時(shí)，可以使用Abort方法強(qiáng)行中斷它們。代碼如下：

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(jié)束");  
}