深入了解C#多線程安全
前面兩篇文章，分別簡(jiǎn)述了多線程的使用和發(fā)展歷程，但是使用多線程無法避免的一個(gè)問題就是多線程安全。那什么是多線程安全？如何解決多線程安全？本文主要通過一些簡(jiǎn)單的小例子，簡(jiǎn)述多線程相關(guān)的問題，僅供學(xué)習(xí)分享使用，如有不足之處，還請(qǐng)指正。
什么是多線程安全？
一段程序，單線程和多線程執(zhí)行結(jié)果不一致，就表示存在多線程安全問題，即多線程不安全。
多線程安全示例
1. 多線程不安全示例1
假如我們有一個(gè)需求，需要輸出5個(gè)線程，且線程序號(hào)按0-4命名，我們編寫代碼如下：
private void btnTask1_Click(object sender, EventArgs e)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
Task.Run(() =>
{
Console.WriteLine($"【BEGIN】**************這是第 {i} 個(gè)線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
Thread.Sleep(2000);
Console.WriteLine($"【 END 】**************這是第 {i} 個(gè)線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
});
}
Console.WriteLine("【結(jié)束】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
}
然后運(yùn)行示例，如下所示：
通過對(duì)以上示例進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：
1.在for循環(huán)中，啟動(dòng)的5個(gè)線程，線程序號(hào)都是5，并沒有按照我們預(yù)期的結(jié)果【0,1,2,3,4】進(jìn)行輸出。
2.經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，因?yàn)閒or循環(huán)中，i是同一個(gè)變量，線程啟動(dòng)是異步進(jìn)行的，存在延遲，當(dāng)線程啟動(dòng)時(shí)，for循環(huán)已經(jīng)結(jié)束，i的值為5，所以才導(dǎo)致線程序號(hào)和預(yù)期不一致。
為了解決上述問題，可以通過引入局部變量來解決，即每次循環(huán)聲明一個(gè)變量，循環(huán)5次，存在5個(gè)變量，則相互之間不會(huì)覆蓋。如下所示：
private void btnTask1_Click(object sender, EventArgs e)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
int k = i;
Task.Run(() =>
{
Console.WriteLine($"【BEGIN】**************這是第 {k} 個(gè)線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
Thread.Sleep(2000);
Console.WriteLine($"【 END 】**************這是第 {k} 個(gè)線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
});
}
Console.WriteLine("【結(jié)束】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
}
運(yùn)行優(yōu)化后的示例，如下所示：
通過運(yùn)行示例發(fā)現(xiàn)，局部變量可以解決相應(yīng)的問題。
2. 多線程不安全示例2
假如我們有一個(gè)需求：將0到200增加到一個(gè)列表中，采用多線程來實(shí)現(xiàn)，如下所示：
private void btnTask2_Click(object sender, EventArgs e)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
List<int> list = new List<int>();
List<Task> tasks = new List<Task>();
for (int i = 0; i < 200; i++)
{
tasks.Add( Task.Run(() =>
{
list.Add(i);
}));
}
Task.WaitAll(tasks.ToArray());
string res = string.Join(",", list);
Console.WriteLine($"列表長(zhǎng)度： {list.Count} ，列表內(nèi)容：{res}");
Console.WriteLine("【結(jié)束】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
}
通過運(yùn)行示例，如下所示：
通過對(duì)以上示例進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：
1.列表的記錄條數(shù)不對(duì)，會(huì)少。
2.列表的元素內(nèi)容與預(yù)期的內(nèi)容不一致。
針對(duì)上述問題，采用中間局部變量的方式，可以解決嗎？不妨一試，修改后的 代碼如下：
private void btnTask2_Click(object sender, EventArgs e)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
List<int> list = new List<int>();
List<Task> tasks = new List<Task>();
for (int i = 0; i < 200; i++)
{
int k = i;
tasks.Add( Task.Run(() =>
{
list.Add(k);
}));
}
Task.WaitAll(tasks.ToArray());
string res = string.Join(",", list);
Console.WriteLine($"列表長(zhǎng)度： {list.Count} ，列表內(nèi)容：{res}");
Console.WriteLine("【結(jié)束】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
}
運(yùn)行優(yōu)化示例，如下所示：
通過運(yùn)行上述示例，得出結(jié)論如下：
1.列表長(zhǎng)度依然不對(duì)，會(huì)小于實(shí)際單一線程的長(zhǎng)度。注意：多線程列表長(zhǎng)度不是一定會(huì)小于單一線程運(yùn)行時(shí)列表長(zhǎng)度，只是存在概率，即多個(gè)線程存在同時(shí)寫入一個(gè)位置的概率。
2.列表內(nèi)容，采用局部變量，可以解決部分問題。
由此可以得出List不是線程安全的數(shù)據(jù)類型。
加鎖lock
針對(duì)多線程的不安全問題，可以通過加鎖進(jìn)行解決，加鎖的目的：在任意時(shí)刻，加鎖塊都之允許一個(gè)線程訪問。
加鎖原理
lock實(shí)際是一個(gè)語法糖，實(shí)際效果等同于Monitor。鎖定的是引用對(duì)象的一個(gè)內(nèi)存地址引用。所以鎖定對(duì)象不可以是值類型，也不可以是null，只能是引用類型。
lock對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)寫法：默認(rèn)情況下，鎖對(duì)象是私有，靜態(tài)，只讀，引用對(duì)象。如下所示：
/// <summary> /// 定義一個(gè)鎖對(duì)象 /// </summary> private static readonly object obj = new object();
然后優(yōu)化程序，如下所示：
private void btnTask2_Click(object sender, EventArgs e)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
List<int> list = new List<int>();
List<Task> tasks = new List<Task>();
for (int i = 0; i < 200; i++)
{
int k = i;
tasks.Add( Task.Run(() =>
{
lock (obj)
{
list.Add(k);
}
}));
}
Task.WaitAll(tasks.ToArray());
string res = string.Join(",", list);
Console.WriteLine($"列表長(zhǎng)度： {list.Count} ，列表內(nèi)容：{res}");
Console.WriteLine("【結(jié)束】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
}
運(yùn)行優(yōu)化后的示例，如下所示：
通過對(duì)上述示例進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：
1.加鎖后，列表在多線程下也變成安全，符合預(yù)期的要求。
2.但是由于加鎖的原因，同一時(shí)刻，只能由一個(gè)線程進(jìn)入，其他線程就會(huì)等待，所以多線程也變成了單線程。
為何鎖對(duì)象要用私有類型？
標(biāo)準(zhǔn)寫法，鎖對(duì)象是私有類型，目的是為了避免鎖對(duì)象被其他線程使用，如果被使用，則會(huì)相互阻塞，如下所示：
假如，現(xiàn)在有一個(gè)鎖對(duì)象，在TestLock中使用，如下所示：
public class TestLock
{
public static readonly object Obj = new object();
public void Show()
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程示例Show**************");
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
int k = i;
Task.Run(() =>
{
lock (Obj)
{
Console.WriteLine($"【BEGIN】*********T*****這是第 {k} 個(gè)線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
Thread.Sleep(2000);
Console.WriteLine($"【 END 】*********T*****這是第 {k} 個(gè)線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
}
});
}
Console.WriteLine("【結(jié)束】**************線程示例Show**************");
}
}
同時(shí)在FrmMain中使用，如下所示：
private void btnTask3_Click(object sender, EventArgs e)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程示例btnTask3_Click**************");
//類對(duì)象中多線程
TestLock.Show();
//主方法中多線程
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
int k = i;
Task.Run(() =>
{
lock (TestLock.Obj)
{
Console.WriteLine($"【BEGIN】*********M*****這是第 {k} 個(gè)線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
Thread.Sleep(2000);
Console.WriteLine($"【 END 】*********M*****這是第 {k} 個(gè)線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
}
});
}
Console.WriteLine("【結(jié)束】**************線程示例btnTask3_Click**************");
}
運(yùn)行上述示例，如下所示：
通過上述示例，得出結(jié)論如下：
1.T和M是成對(duì)相鄰，且各代碼塊交互出現(xiàn)。
2.多個(gè)代碼塊，共用一把鎖，是會(huì)相互阻塞的。這也是為啥不建議使用public修飾符的原因，避免被不恰當(dāng)?shù)募渔i。
如果使用不同的鎖對(duì)象，多個(gè)代碼塊之間是可以并發(fā)的【T和M是不成對(duì)，且不相鄰出現(xiàn)，但是有同一代碼塊的內(nèi)部順序】，效果如下：
為什么鎖對(duì)象要用static類型？
假如對(duì)象不是static類型，那么鎖對(duì)象就是對(duì)象屬性，不同的對(duì)象之間是相互獨(dú)立的，所以不同通對(duì)象調(diào)用相同的方法，就會(huì)存在并發(fā)的問題，如下所示：
修改TestLock代碼【去掉static】，如下所示：
public class TestLock
{
public readonly object Obj = new object();
public void Show(string name)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程示例Show--{0}**************",name);
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
int k = i;
Task.Run(() =>
{
lock (Obj)
{
Console.WriteLine($"【BEGIN】*********T*****這是第 {k}--{name} 個(gè)線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
Thread.Sleep(2000);
Console.WriteLine($"【 END 】*********T*****這是第 {k}--{name} 個(gè)線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
}
});
}
Console.WriteLine("【結(jié)束】**************線程示例Show--{0}**************",name);
}
}
聲明兩個(gè)對(duì)象，分別調(diào)用Show方法，如下所示：
private void btnTask4_Click(object sender, EventArgs e)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程示例btnTask3_Click**************");
TestLock testLock1 = new TestLock();
testLock1.Show("first");
TestLock testLock2 = new TestLock();
testLock2.Show("second");
Console.WriteLine("【結(jié)束】**************線程示例btnTask3_Click**************");
}
測(cè)試示例，如下所示：
通過以上示例，得出結(jié)論如下：
非靜態(tài)鎖對(duì)象，只在當(dāng)前對(duì)象內(nèi)部進(jìn)行允許同一時(shí)刻只有一個(gè)線程進(jìn)入，但是多個(gè)對(duì)象之間，是相互并發(fā)，相互獨(dú)立的。所以建議鎖對(duì)象為static對(duì)象。
加鎖鎖定的是什么？
在lock模式下，鎖定的是內(nèi)存引用地址，而不是鎖定的對(duì)象的值。假如將Form的鎖對(duì)象的類型改為字符串，如下所示：
/// <summary> /// 定義一個(gè)鎖對(duì)象 /// </summary> private static readonly string obj = "花無缺";
同時(shí)TestLock類的鎖對(duì)象也改為字符串，如下所示：
public class TestLock
{
private static readonly string obj = "花無缺";
public static void Show(string name)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程示例Show--{0}**************",name);
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
int k = i;
Task.Run(() =>
{
lock (obj)
{
Console.WriteLine($"【BEGIN】*********T*****這是第 {k}--{name} 個(gè)線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
Thread.Sleep(2000);
Console.WriteLine($"【 END 】*********T*****這是第 {k}--{name} 個(gè)線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
}
});
}
Console.WriteLine("【結(jié)束】**************線程示例Show--{0}**************",name);
}
}
運(yùn)行上述示例，結(jié)果如下：
通過上述示例，得出結(jié)論如下：
1.字符串是一種特殊的鎖類型，如果字符串的值一致，則認(rèn)為是同一個(gè)鎖對(duì)象，不同對(duì)象之間會(huì)進(jìn)行阻塞。因?yàn)閟tring類型是享元的，在內(nèi)存堆里面只有一個(gè)花無缺。
2.如果是其他類型，則是不同的鎖對(duì)象，是可以相互并發(fā)的。
3.說明鎖定的是內(nèi)存引用地址，而非鎖定對(duì)象的值。
泛型鎖對(duì)象
如果TestLock為泛型類，如下所示：
1 public class TestLock<T>
2 {
3 private static? readonly object obj = new object(); 4
5 public static void Show(string name)
6 {
7
8 Console.WriteLine("【開始】**************線程示例Show--{0}**************",name);
9
10 for (int i = 0; i < 5; i++)
11 {
12 int k = i;
13 Task.Run(() =>
14 {
15 lock (obj)
16 {
17 Console.WriteLine($"【BEGIN】*********T*****這是第 {k}--{name} 個(gè)線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
18 Thread.Sleep(2000);
19 Console.WriteLine($"【 END 】*********T*****這是第 {k}--{name} 個(gè)線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
20 }
21 });
22 }
23
24 Console.WriteLine("【結(jié)束】**************線程示例Show--{0}**************",name);
25 }
26 }
那么在調(diào)用時(shí)，會(huì)相互阻塞嗎？調(diào)用代碼如下：
private void btnTask5_Click(object sender, EventArgs e)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程示例btnTask5_Click**************");
TestLock<int>.Show("AA");
TestLock<string>.Show("BB");
Console.WriteLine("【結(jié)束】**************線程示例btnTask5_Click**************");
}
運(yùn)行上述示例，如下所示：
通過分析上述示例，得出結(jié)論如下所示：
1.對(duì)于泛型類，不同類型參數(shù)之間是可以相互并發(fā)的，因?yàn)榉盒皖愥槍?duì)不同類型參數(shù)會(huì)編譯成不同的類，那對(duì)應(yīng)的鎖對(duì)象，會(huì)變成不同的引用類型。
2.如果鎖對(duì)象為字符串類型，則也是會(huì)相互阻塞的，只是因?yàn)樽址窍碓Ｊ健?/p>
3.泛型T的不同，會(huì)編譯成不同的副本。
遞歸加鎖
如果在遞歸函數(shù)中進(jìn)行加鎖，會(huì)造成死鎖嗎？示例代碼如下：
private void btnTask6_Click(object sender, EventArgs e)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程示例btnTask6_Click**************");
this.add(1);
Console.WriteLine("【結(jié)束】**************線程示例btnTask6_Click**************");
}
private int num = 0;
private void add(int index) {
this.num++;
Task.Run(()=> {
lock (obj)
{
Console.WriteLine($"【BEGIN】**************這是第 {num} 個(gè)線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
Thread.Sleep(2000);
Console.WriteLine($"【 END 】**************這是第 {num} 個(gè)線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
if (num < 5)
{
this.add(index);
}
}
});
}
運(yùn)行上述示例，如下所示：
通過運(yùn)行上述示例，得出結(jié)論如下：
在遞歸函數(shù)中進(jìn)行加鎖，會(huì)進(jìn)行阻塞等待，但是不會(huì)造成死鎖。?
以上就是深入了解C#多線程安全的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于C#多線程安全的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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