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C# 多线程入门系列(三)

前面两篇文章,分别简述了多线程的使用和发展历程,但是使用多线程无法避免的一个问题就是多线程安全。那什么是多线程安全?如何解决多线程安全?本文主要通过一些简单的小例子,简述多线程相关的问题,仅供学习分享使用,如有不足之处,还请指正。

什么是多线程安全?

一段程序,单线程和多线程执行结果不一致,就表示存在多线程安全问题,即多线程不安全。

多线程安全示例

1. 多线程不安全示例1

假如我们有一个需求,需要输出5个线程,且线程序号按0-4命名,我们编写代码如下:

 1 private void btnTask1_Click(object sender, EventArgs e)  2 {  3     Console.WriteLine("【开始】**************线程不安全示例btnTask1_Click**************");  4   5     for (int i = 0; i < 5; i++)  6     {  7         Task.Run(() =>  8         {  9             Console.WriteLine($"【BEGIN】**************这是第 {i} 个线程,线程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************"); 10             Thread.Sleep(2000); 11             Console.WriteLine($"【 END 】**************这是第 {i} 个线程,线程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************"); 12         }); 13     } 14  15     Console.WriteLine("【结束】**************线程不安全示例btnTask1_Click**************"); 16 }

然后运行示例,如下所示:
C# 多线程入门系列(三)

 

通过对以上示例进行分析,得出结论如下:

  1. 在for循环中,启动的5个线程,线程序号都是5,并没有按照我们预期的结果【0,1,2,3,4】进行输出。
  2. 经过分析发现,因为for循环中,i是同一个变量,线程启动是异步进行的,存在延迟,当线程启动时,for循环已经结束,i的值为5,所以才导致线程序号和预期不一致。

为了解决上述问题,可以通过引入局部变量来解决,即每次循环声明一个变量,循环5次,存在5个变量,则相互之间不会覆盖。如下所示:

 1 private void btnTask1_Click(object sender, EventArgs e)  2 {  3     Console.WriteLine("【开始】**************线程不安全示例btnTask1_Click**************");  4   5     for (int i = 0; i < 5; i++)  6     {  7         int k = i;  8         Task.Run(() =>  9         { 10             Console.WriteLine($"【BEGIN】**************这是第 {k} 个线程,线程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************"); 11             Thread.Sleep(2000); 12             Console.WriteLine($"【 END 】**************这是第 {k} 个线程,线程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************"); 13         }); 14     } 15  16     Console.WriteLine("【结束】**************线程不安全示例btnTask1_Click**************"); 17 }

运行优化后的示例,如下所示:

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 通过运行示例发现,局部变量可以解决相应的问题。

2. 多线程不安全示例2

假如我们有一个需求:将0到200增加到一个列表中,采用多线程来实现,如下所示:

 1 private void btnTask2_Click(object sender, EventArgs e)  2 {  3     Console.WriteLine("【开始】**************线程不安全示例btnTask1_Click**************");  4     List<int> list = new List<int>();  5     List<Task> tasks = new List<Task>();  6     for (int i = 0; i < 200; i++)  7     {  8         tasks.Add( Task.Run(() =>  9         { 10             list.Add(i); 11         })); 12     } 13     Task.WaitAll(tasks.ToArray()); 14     string res = string.Join(",", list); 15     Console.WriteLine($"列表长度: {list.Count} ,列表内容:{res}"); 16     Console.WriteLine("【结束】**************线程不安全示例btnTask1_Click**************"); 17 }

通过运行示例,如下所示:

C# 多线程入门系列(三)

 

 通过对以上示例进行分析,得出结论如下:

  1. 列表的记录条数不对,会少。
  2. 列表的元素内容与预期的内容不一致。

针对上述问题,采用中间局部变量的方式,可以解决吗?不妨一试,修改后的 代码如下:

 1 private void btnTask2_Click(object sender, EventArgs e)  2 {  3     Console.WriteLine("【开始】**************线程不安全示例btnTask1_Click**************");  4     List<int> list = new List<int>();  5     List<Task> tasks = new List<Task>();  6     for (int i = 0; i < 200; i++)  7     {  8         int k = i;  9         tasks.Add( Task.Run(() => 10         { 11             list.Add(k); 12         })); 13     } 14     Task.WaitAll(tasks.ToArray()); 15     string res = string.Join(",", list); 16     Console.WriteLine($"列表长度: {list.Count} ,列表内容:{res}"); 17     Console.WriteLine("【结束】**************线程不安全示例btnTask1_Click**************"); 18 }

运行优化示例,如下所示:

C# 多线程入门系列(三)

 

通过运行上述示例,得出结论如下:

  1. 列表长度依然不对,会小于实际单一线程的长度。注意:多线程列表长度不是一定会小于单一线程运行时列表长度,只是存在概率,即多个线程存在同时写入一个位置的概率。
  2. 列表内容,采用局部变量,可以解决部分问题。

由此可以得出List不是线程安全的数据类型。

加锁lock

针对多线程的不安全问题,可以通过加锁进行解决,加锁的目的:在任意时刻,加锁块都之允许一个线程访问

加锁原理

lock实际是一个语法糖,实际效果等同于Monitor。锁定的是引用对象的一个内存地址引用。所以锁定对象不可以是值类型,也不可以是null,只能是引用类型。

lock对象的标准写法:默认情况下,锁对象是私有,静态,只读,引用对象。如下所示:

1 /// <summary> 2 /// 定义一个锁对象 3 /// </summary> 4 private static readonly object obj = new object();

然后优化程序,如下所示:

 1 private void btnTask2_Click(object sender, EventArgs e)  2 {  3     Console.WriteLine("【开始】**************线程不安全示例btnTask1_Click**************");  4     List<int> list = new List<int>();  5     List<Task> tasks = new List<Task>();  6     for (int i = 0; i < 200; i++)  7     {  8         int k = i;  9         tasks.Add( Task.Run(() => 10         { 11             lock (obj) 12             { 13                 list.Add(k); 14             } 15         })); 16     } 17     Task.WaitAll(tasks.ToArray()); 18     string res = string.Join(",", list); 19     Console.WriteLine($"列表长度: {list.Count} ,列表内容:{res}"); 20     Console.WriteLine("【结束】**************线程不安全示例btnTask1_Click**************"); 21 }

运行优化后的示例,如下所示:

C# 多线程入门系列(三)

 

通过对上述示例进行分析,得出结论如下:

  1. 加锁后,列表在多线程下也变成安全,符合预期的要求。
  2. 但是由于加锁的原因,同一时刻,只能由一个线程进入,其他线程就会等待,所以多线程也变成了单线程。

 为何锁对象要用私有类型?

标准写法,锁对象是私有类型,目的是为了避免锁对象被其他线程使用,如果被使用,则会相互阻塞,如下所示:

假如,现在有一个锁对象,在TestLock中使用,如下所示:

 1 public class TestLock  2 {  3     public static readonly object Obj = new object();  4   5     public void Show()  6     {  7   8         Console.WriteLine("【开始】**************线程示例Show**************");  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($"【BEGIN】*********T*****这是第 {k} 个线程,线程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************"); 18                     Thread.Sleep(2000); 19                     Console.WriteLine($"【 END 】*********T*****这是第 {k} 个线程,线程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************"); 20                 } 21             }); 22         } 23  24         Console.WriteLine("【结束】**************线程示例Show**************"); 25     } 26 }

同时在FrmMain中使用,如下所示:

 1 private void btnTask3_Click(object sender, EventArgs e)  2 {  3     Console.WriteLine("【开始】**************线程示例btnTask3_Click**************");  4     //类对象中多线程  5     TestLock.Show();  6     //主方法中多线程  7     for (int i = 0; i < 5; i++)  8     {  9         int k = i; 10         Task.Run(() => 11         { 12             lock (TestLock.Obj) 13             { 14                 Console.WriteLine($"【BEGIN】*********M*****这是第 {k} 个线程,线程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************"); 15                 Thread.Sleep(2000); 16                 Console.WriteLine($"【 END 】*********M*****这是第 {k} 个线程,线程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************"); 17             } 18         }); 19     } 20  21     Console.WriteLine("【结束】**************线程示例btnTask3_Click**************"); 22 }

运行上述示例,如下所示:

C# 多线程入门系列(三)

 

 通过上述示例,得出结论如下:

  1. T和M是成对相邻,且各代码块交互出现。
  2. 多个代码块,共用一把锁,是会相互阻塞的。这也是为啥不建议使用public修饰符的原因,避免被不恰当的加锁。

 如果使用不同的锁对象,多个代码块之间是可以并发的【T和M是不成对,且不相邻出现,但是有同一代码块的内部顺序】,效果如下:

C# 多线程入门系列(三)

 为什么锁对象要用static类型?

假如对象不是static类型,那么锁对象就是对象属性,不同的对象之间是相互独立的,所以不同通对象调用相同的方法,就会存在并发的问题,如下所示:

修改TestLock代码【去掉static】,如下所示:

 1 public class TestLock  2 {  3     public  readonly object Obj = new object();  4   5     public  void Show(string name)  6     {  7   8         Console.WriteLine("【开始】**************线程示例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($"【BEGIN】*********T*****这是第 {k}--{name} 个线程,线程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************"); 18                     Thread.Sleep(2000); 19                     Console.WriteLine($"【 END 】*********T*****这是第 {k}--{name} 个线程,线程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************"); 20                 } 21             }); 22         } 23  24         Console.WriteLine("【结束】**************线程示例Show--{0}**************",name); 25     } 26 }

声明两个对象,分别调用Show方法,如下所示:

 1 private void btnTask4_Click(object sender, EventArgs e)  2 {  3     Console.WriteLine("【开始】**************线程示例btnTask3_Click**************");  4     TestLock testLock1 = new TestLock();  5     testLock1.Show("first");  6   7     TestLock testLock2 = new TestLock();  8     testLock2.Show("second");  9     Console.WriteLine("【结束】**************线程示例btnTask3_Click**************"); 10 }

测试示例,如下所示:

C# 多线程入门系列(三)

 

 通过以上示例,得出结论如下:

  1. 非静态锁对象,只在当前对象内部进行允许同一时刻只有一个线程进入,但是多个对象之间,是相互并发,相互独立的。所以建议锁对象为static对象。

加锁锁定的是什么?

在lock模式下,锁定的是内存引用地址,而不是锁定的对象的值。假如将Form的锁对象的类型改为字符串,如下所示:

1 /// <summary> 2 /// 定义一个锁对象 3 /// </summary> 4 private static readonly string obj = "花无缺";

同时TestLock类的锁对象也改为字符串,如下所示:

 1 public class TestLock  2 {  3     private static  readonly string obj = "花无缺";  4   5     public static  void Show(string name)  6     {  7   8         Console.WriteLine("【开始】**************线程示例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($"【BEGIN】*********T*****这是第 {k}--{name} 个线程,线程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************"); 18                     Thread.Sleep(2000); 19                     Console.WriteLine($"【 END 】*********T*****这是第 {k}--{name} 个线程,线程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************"); 20                 } 21             }); 22         } 23  24         Console.WriteLine("【结束】**************线程示例Show--{0}**************",name); 25     } 26 }

运行上述示例,结果如下:

C# 多线程入门系列(三)

 

通过上述示例,得出结论如下:

  1. 字符串是一种特殊的锁类型,如果字符串的值一致,则认为是同一个锁对象,不同对象之间会进行阻塞。因为string类型是享元的,在内存堆里面只有一个花无缺。
  2. 如果是其他类型,则是不同的锁对象,是可以相互并发的。
  3. 说明锁定的是内存引用地址,而非锁定对象的值。

泛型锁对象

如果TestLock为泛型类,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("【开始】**************线程示例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($"【BEGIN】*********T*****这是第 {k}--{name} 个线程,线程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************"); 18                     Thread.Sleep(2000); 19                     Console.WriteLine($"【 END 】*********T*****这是第 {k}--{name} 个线程,线程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************"); 20                 } 21             }); 22         } 23  24         Console.WriteLine("【结束】**************线程示例Show--{0}**************",name); 25     } 26 }

那么在调用时,会相互阻塞吗?调用代码如下:

1 private void btnTask5_Click(object sender, EventArgs e) 2 { 3     Console.WriteLine("【开始】**************线程示例btnTask5_Click**************"); 4     TestLock<int>.Show("AA"); 5     TestLock<string>.Show("BB"); 6     Console.WriteLine("【结束】**************线程示例btnTask5_Click**************"); 7 }

运行上述示例,如下所示:

C# 多线程入门系列(三)

 

通过分析上述示例,得出结论如下所示:

  1. 对于泛型类,不同类型参数之间是可以相互并发的,因为泛型类针对不同类型参数会编译成不同的类,那对应的锁对象,会变成不同的引用类型。
  2. 如果锁对象为字符串类型,则也是会相互阻塞的,只是因为字符串是享元模式。
  3. 泛型T的不同,会编译成不同的副本。

递归加锁

如果在递归函数中进行加锁,会造成死锁吗?示例代码如下:

 1 private void btnTask6_Click(object sender, EventArgs e)  2 {  3     Console.WriteLine("【开始】**************线程示例btnTask6_Click**************");  4     this.add(1);  5     Console.WriteLine("【结束】**************线程示例btnTask6_Click**************");  6 }  7   8 private int num = 0;  9  10 private void add(int index) { 11     this.num++; 12     Task.Run(()=> { 13         lock (obj) 14         { 15             Console.WriteLine($"【BEGIN】**************这是第 {num} 个线程,线程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************"); 16             Thread.Sleep(2000); 17             Console.WriteLine($"【 END 】**************这是第 {num} 个线程,线程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************"); 18  19             if (num < 5) 20             { 21                 this.add(index); 22             } 23         } 24     }); 25 }

运行上述示例,如下所示:

C# 多线程入门系列(三)

 

 通过运行上述示例,得出结论如下:

  1. 在递归函数中进行加锁,会进行阻塞等待,但是不会造成死锁。

备注

以上就是多线程安全的简单介绍,旨在抛砖引玉,大家一起学习,共同进步。

酬乐天扬州初逢席上见赠【作者】刘禹锡 【朝代】唐

巴山楚水凄凉地,二十三年弃置身。

怀旧空吟闻笛赋,到乡翻似烂柯人。

沉舟侧畔千帆过,病树前头万木春。

今日听君歌一曲,暂凭杯酒长精神。

C# 多线程入门系列(三)

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