C#多线程编程实例实战

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();    
  }    
  }