深入瞭解C#多線程安全
前面兩篇文章，分別簡述瞭多線程的使用和發展歷程，但是使用多線程無法避免的一個問題就是多線程安全。那什麼是多線程安全？如何解決多線程安全？本文主要通過一些簡單的小例子，簡述多線程相關的問題，僅供學習分享使用，如有不足之處，還請指正。
什麼是多線程安全？
一段程序，單線程和多線程執行結果不一致，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
假如我們有一個需求，需要輸出5個線程，且線程序號按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($"【BEGIN】**************這是第 {i} 個線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
Thread.Sleep(2000);
Console.WriteLine($"【 END 】**************這是第 {i} 個線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
});
}
Console.WriteLine("【結束】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
}
然後運行示例，如下所示：
通過對以上示例進行分析，得出結論如下：
1.在for循環中，啟動的5個線程，線程序號都是5，並沒有按照我們預期的結果【0,1,2,3,4】進行輸出。
2.經過分析發現，因為for循環中，i是同一個變量，線程啟動是異步進行的，存在延遲，當線程啟動時，for循環已經結束，i的值為5，所以才導致線程序號和預期不一致。
為瞭解決上述問題，可以通過引入局部變量來解決，即每次循環聲明一個變量，循環5次，存在5個變量，則相互之間不會覆蓋。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($"【BEGIN】**************這是第 {k} 個線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
Thread.Sleep(2000);
Console.WriteLine($"【 END 】**************這是第 {k} 個線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
});
}
Console.WriteLine("【結束】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
}
運行優化後的示例，如下所示：
通過運行示例發現，局部變量可以解決相應的問題。
2. 多線程不安全示例2
假如我們有一個需求：將0到200增加到一個列表中，采用多線程來實現，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($"列表長度： {list.Count} ，列表內容：{res}");
Console.WriteLine("【結束】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
}
通過運行示例，如下所示：
通過對以上示例進行分析，得出結論如下：
1.列表的記錄條數不對，會少。
2.列表的元素內容與預期的內容不一致。
針對上述問題，采用中間局部變量的方式，可以解決嗎？不妨一試，修改後的 代碼如下：
private void btnTask2_Click(object sender, EventArgs e)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
List<int> list = new List<int>();
List<Task> tasks = new List<Task>();
for (int i = 0; i < 200; i++)
{
int k = i;
tasks.Add( Task.Run(() =>
{
list.Add(k);
}));
}
Task.WaitAll(tasks.ToArray());
string res = string.Join(",", list);
Console.WriteLine($"列表長度： {list.Count} ，列表內容：{res}");
Console.WriteLine("【結束】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
}
運行優化示例，如下所示：
通過運行上述示例，得出結論如下：
1.列表長度依然不對，會小於實際單一線程的長度。註意：多線程列表長度不是一定會小於單一線程運行時列表長度，隻是存在概率，即多個線程存在同時寫入一個位置的概率。
2.列表內容，采用局部變量，可以解決部分問題。
由此可以得出List不是線程安全的數據類型。
加鎖lock
針對多線程的不安全問題，可以通過加鎖進行解決，加鎖的目的：在任意時刻，加鎖塊都之允許一個線程訪問。
加鎖原理
lock實際是一個語法糖，實際效果等同於Monitor。鎖定的是引用對象的一個內存地址引用。所以鎖定對象不可以是值類型，也不可以是null，隻能是引用類型。
lock對象的標準寫法：默認情況下，鎖對象是私有，靜態，隻讀，引用對象。如下所示：
/// <summary> /// 定義一個鎖對象 /// </summary> private static readonly object obj = new object();
然後優化程序，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($"列表長度： {list.Count} ，列表內容：{res}");
Console.WriteLine("【結束】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
}
運行優化後的示例，如下所示：
通過對上述示例進行分析，得出結論如下：
1.加鎖後，列表在多線程下也變成安全，符合預期的要求。
2.但是由於加鎖的原因，同一時刻，隻能由一個線程進入，其他線程就會等待，所以多線程也變成瞭單線程。
為何鎖對象要用私有類型？
標準寫法，鎖對象是私有類型，目的是為瞭避免鎖對象被其他線程使用，如果被使用，則會相互阻塞，如下所示：
假如，現在有一個鎖對象，在TestLock中使用，如下所示：
public class TestLock
{
public static readonly object Obj = new object();
public void Show()
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程示例Show**************");
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
int k = i;
Task.Run(() =>
{
lock (Obj)
{
Console.WriteLine($"【BEGIN】*********T*****這是第 {k} 個線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
Thread.Sleep(2000);
Console.WriteLine($"【 END 】*********T*****這是第 {k} 個線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
}
});
}
Console.WriteLine("【結束】**************線程示例Show**************");
}
}
同時在FrmMain中使用，如下所示：
private void btnTask3_Click(object sender, EventArgs e)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程示例btnTask3_Click**************");
//類對象中多線程
TestLock.Show();
//主方法中多線程
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
int k = i;
Task.Run(() =>
{
lock (TestLock.Obj)
{
Console.WriteLine($"【BEGIN】*********M*****這是第 {k} 個線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
Thread.Sleep(2000);
Console.WriteLine($"【 END 】*********M*****這是第 {k} 個線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
}
});
}
Console.WriteLine("【結束】**************線程示例btnTask3_Click**************");
}
運行上述示例，如下所示：
通過上述示例，得出結論如下：
1.T和M是成對相鄰，且各代碼塊交互出現。
2.多個代碼塊，共用一把鎖，是會相互阻塞的。這也是為啥不建議使用public修飾符的原因，避免被不恰當的加鎖。
如果使用不同的鎖對象，多個代碼塊之間是可以並發的【T和M是不成對，且不相鄰出現，但是有同一代碼塊的內部順序】，效果如下：
為什麼鎖對象要用static類型？
假如對象不是static類型，那麼鎖對象就是對象屬性，不同的對象之間是相互獨立的，所以不同通對象調用相同的方法，就會存在並發的問題，如下所示：
修改TestLock代碼【去掉static】，如下所示：
public class TestLock
{
public readonly object Obj = new object();
public void Show(string name)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程示例Show--{0}**************",name);
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
int k = i;
Task.Run(() =>
{
lock (Obj)
{
Console.WriteLine($"【BEGIN】*********T*****這是第 {k}--{name} 個線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
Thread.Sleep(2000);
Console.WriteLine($"【 END 】*********T*****這是第 {k}--{name} 個線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
}
});
}
Console.WriteLine("【結束】**************線程示例Show--{0}**************",name);
}
}
聲明兩個對象，分別調用Show方法，如下所示：
private void btnTask4_Click(object sender, EventArgs e)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程示例btnTask3_Click**************");
TestLock testLock1 = new TestLock();
testLock1.Show("first");
TestLock testLock2 = new TestLock();
testLock2.Show("second");
Console.WriteLine("【結束】**************線程示例btnTask3_Click**************");
}
測試示例，如下所示：
通過以上示例，得出結論如下：
非靜態鎖對象，隻在當前對象內部進行允許同一時刻隻有一個線程進入，但是多個對象之間，是相互並發，相互獨立的。所以建議鎖對象為static對象。
加鎖鎖定的是什麼？
在lock模式下，鎖定的是內存引用地址，而不是鎖定的對象的值。假如將Form的鎖對象的類型改為字符串，如下所示：
/// <summary> /// 定義一個鎖對象 /// </summary> private static readonly string obj = "花無缺";
同時TestLock類的鎖對象也改為字符串，如下所示：
public class TestLock
{
private static readonly string obj = "花無缺";
public static void Show(string name)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程示例Show--{0}**************",name);
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
int k = i;
Task.Run(() =>
{
lock (obj)
{
Console.WriteLine($"【BEGIN】*********T*****這是第 {k}--{name} 個線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
Thread.Sleep(2000);
Console.WriteLine($"【 END 】*********T*****這是第 {k}--{name} 個線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
}
});
}
Console.WriteLine("【結束】**************線程示例Show--{0}**************",name);
}
}
運行上述示例，結果如下：
通過上述示例，得出結論如下：
1.字符串是一種特殊的鎖類型，如果字符串的值一致，則認為是同一個鎖對象，不同對象之間會進行阻塞。因為string類型是享元的，在內存堆裡面隻有一個花無缺。
2.如果是其他類型，則是不同的鎖對象，是可以相互並發的。
3.說明鎖定的是內存引用地址，而非鎖定對象的值。
泛型鎖對象
如果TestLock為泛型類，如下所示：
1 public class TestLock<T>
2 {
3 private static readonly object obj = new object(); 4
5 public static void Show(string name)
6 {
7
8 Console.WriteLine("【開始】**************線程示例Show--{0}**************",name);
9
10 for (int i = 0; i < 5; i++)
11 {
12 int k = i;
13 Task.Run(() =>
14 {
15 lock (obj)
16 {
17 Console.WriteLine($"【BEGIN】*********T*****這是第 {k}--{name} 個線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
18 Thread.Sleep(2000);
19 Console.WriteLine($"【 END 】*********T*****這是第 {k}--{name} 個線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
20 }
21 });
22 }
23
24 Console.WriteLine("【結束】**************線程示例Show--{0}**************",name);
25 }
26 }
那麼在調用時，會相互阻塞嗎？調用代碼如下：
private void btnTask5_Click(object sender, EventArgs e)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程示例btnTask5_Click**************");
TestLock<int>.Show("AA");
TestLock<string>.Show("BB");
Console.WriteLine("【結束】**************線程示例btnTask5_Click**************");
}
運行上述示例，如下所示：
通過分析上述示例，得出結論如下所示：
1.對於泛型類，不同類型參數之間是可以相互並發的，因為泛型類針對不同類型參數會編譯成不同的類，那對應的鎖對象，會變成不同的引用類型。
2.如果鎖對象為字符串類型，則也是會相互阻塞的，隻是因為字符串是享元模式。
3.泛型T的不同，會編譯成不同的副本。
遞歸加鎖
如果在遞歸函數中進行加鎖，會造成死鎖嗎？示例代碼如下：
private void btnTask6_Click(object sender, EventArgs e)
{
Console.WriteLine("【開始】**************線程示例btnTask6_Click**************");
this.add(1);
Console.WriteLine("【結束】**************線程示例btnTask6_Click**************");
}
private int num = 0;
private void add(int index) {
this.num++;
Task.Run(()=> {
lock (obj)
{
Console.WriteLine($"【BEGIN】**************這是第 {num} 個線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
Thread.Sleep(2000);
Console.WriteLine($"【 END 】**************這是第 {num} 個線程，線程ID={Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}**************");
if (num < 5)
{
this.add(index);
}
}
});
}
運行上述示例，如下所示：
通過運行上述示例，得出結論如下：
在遞歸函數中進行加鎖，會進行阻塞等待，但是不會造成死鎖。
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