• ASP.NET中多线程和并发问题
  • 连雨独饮 发表于 2016/12/1 17:00:00 | 分类标签: 多线程 并发 异步控制
  • 本文讲线程和并发,这块知识点太多太多了,不可能用一篇文章写的面面具到(本身主题就是C#高级知识概要嘛),我所了解的也有限。但对于Web开发,我想本文的知识点应该足够,如果后面有遇到本文没讲的,后面再补充吧。

    线程的简单使用

    常见的并发和异步大多是基于线程来实现的,所以本文先讲线程的简单使用方法。

    使用线程,我们需要引用System.Threading命名空间。创建一个线程最简单的方法就是在 new 一个 Thread,并传递一个ThreadStart委托(无参数)或ParameterizedThreadStart委托(带参数),如下:

    隐藏代码class Program {
        static void Main(string[] args) {

            // 使用无参数委托ThreadStart
            Thread t = new Thread(Go);
            t.Start();

            // 使用带参数委托ParameterizedThreadStart
            Thread t2 = new Thread(GoWithParam);
            t2.Start("Message from main.");

            t2.Join();// 等待线程t2完成。

            Console.WriteLine("Thread t2 has ended!");
            Console.ReadKey();
        }

        static void Go() {
            Console.WriteLine("Go!");
        }

        static void GoWithParam(object msg) {
            Console.WriteLine("Go With Param! Message: " + msg);
            Thread.Sleep(1000);// 模拟耗时操作
        }
    }

    运行结果:

    线程的用法,我们只需要了解这么多。下面我们再来通过一段代码来讲讲并发和异步。

    并发和异步的区别

    关于并发和异步,我们先来写一段代码,模拟多个线程同时写1000条日志:

    隐藏代码class Program {
        static void Main(string[] args) {

            Thread t1 = new Thread(Working);
            t1.Name = "Thread1";
            Thread t2 = new Thread(Working);
            t2.Name = "Thread2";
            Thread t3 = new Thread(Working);
            t3.Name = "Thread3";

            // 依次启动3个线程。
            t1.Start();
            t2.Start();
            t3.Start();

            Console.ReadKey();
        }

        // 每个线程都同时在工作
        static void Working() {
            // 模拟1000次写日志操作
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                //  异步写文件
                Logger.Write(Thread.CurrentThread.Name + " writes a log: " + i + ", on " + DateTime.Now.ToString() + ".\n");
            }// 做一些其它的事件
            for (int i = 0; i < 1000; i++) { }
        }
    }

    代码很简单,相信大家都能看得懂。Logger 大家可以把它看做是一个写日志的组件,先不关心它的具体实现,只要知道它是一个提供了写日志功能的组件就行。

    那么,这段代码跟并发和异步有什么关系呢?

    我们先用一张图来描述这段代码:

    观察上图,3个线程同时调用Logger写日志,对于Logger来说,3个线程同时交给了它任务,这种情况就是并发。对于其中一个线程来说,它在工作过程中,在某个时间请求Logger帮它写日志,同时又继续在自己的其它工作,这种情况就是异步。

    (经读者反馈,为不“误导”读者(尽管我个人不觉得是误导。之前我的定义和解释不全面,没有从操作系统和CPU层次去区分这两个概念。我的文章不喜欢搬教科书,只是想用通俗易读的白话让大家理解),为了知识的专业性和严谨,现已把我理解的对并发和异步的定义删除,感谢园友们的热心讨论)。

    接下来,我们继续讲几个很有用的有关线程和并发的知识 - 锁、信号机制和线程池。

    并发控制 - 锁

    CLR 会为每个线程分配自己的内存堆空间,以使他们的本地变量保持分离互不干扰。

    线程之间也可以共享通用的数据,比如同一对象的某个属性或全局静态变量。但线程间共享数据是存在安全问题的。举个例子,下面的主线程和新线程共享了变量done,done用来标识某件事已经做过了(告诉其它线程不要再重复做了):

    隐藏代码class Program {
        static bool done;
        static void Main(string[] args) {

            new Thread(Go).Start(); // 在新的线程上调用Go
            Go(); // 在主线程上调用Go

            Console.ReadKey();
        }

        static void Go() {
            if (!done) {
                Thread.Sleep(500); // 模拟耗时操作
                Console.WriteLine("Done");
                done = true;
            }
        }
    }

    输出结果:

    输出了两个“Done”,事件被做了两次。由于没有控制好并发,这就出现了线程的安全问题,无法保证数据的状态。

    要解决这个问题,就需要用到锁(Lock,也叫排它锁或互斥锁)。使用lock语句,可以保证共享数据只能同时被一个线程访问。lock的数据对象要求是不能null的引用类型的对象,所以lock的对象需保证不能为空。为此需要创建一个不为空的对象来使用锁,修改一下上面的代码如下:

    隐藏代码class Program {

        static bool done;
        static object locker = new object(); // !!

        static void Main(string[] args) {

            new Thread(Go).Start(); // 在新的线程上调用Go
            Go(); // 在主线程上调用Go

            Console.ReadKey();
        }

        static void Go() {
            lock (locker) {
                if (!done) {
                    Thread.Sleep(500); // Doing something.
                    Console.WriteLine("Done");
                    done = true;
                }
            }
        }
    }

    再看结果:

    使用锁,我们解决了问题。但使用锁也会有另外一个线程安全问题,那就是“死锁”,死锁的概率很小,但也要避免。保证“上锁”这个操作在一个线程上执行是避免死锁的方法之一,这种方法在下文案例中会用到。

    这里我们就不去深入研究“死锁”了,感兴趣的朋友可以去查询相关资料。
    线程的信号机制

    有时候你需要一个线程在接收到某个信号时,才开始执行,否则处于等待状态,这是一种基于信号的事件机制。.NET框架提供一个 ManualResetEvent类来处理这类事件,它的 WaiOne 实例方法可使当前线程一直处于等待状态,直到接收到某个信号。它的Set方法用于打开发送信号。下面是一个信号机制的使用示例:

    隐藏代码static void Main(string[] args) {

        var signal = new ManualResetEvent(false);

        new Thread(() => {
            Console.WriteLine("Waiting for signal...");
            signal.WaitOne();
            signal.Dispose();
            Console.WriteLine("Got signal!");
        }).Start();
        Thread.Sleep(2000);

        signal.Set();// 打开“信号”

        Console.ReadKey();
    }

    运行结果:

    当执行Set方法后,信号保持打开状态,可通过Reset方法将其关闭,若不再需要,通过Dispose将其释放。如果预期的等待时间很短,可以用 ManualResetEventSlim代替ManualResetEvent,前者在等待时间较短时性能更好。信号机制非常有用,后面的日志案例会用到它。
    线程池中的线程

    线程池中的线程是由CLR来管理的。在下面两种条件下,线程池能起到最好的效用:

        *
          任务运行的时候比较短(<250ms),这样CLR可以充分调配现有的空闲线程来处理该任务;
        *
          大量时间处于等待(或阻塞)的任务不去支配线程池的线程。

    要使用线程中的线程,主要有下面两种方式:

    隐藏代码// 方式1:Task.Run,.NET Framework 4.5 才有
    Task.Run (() => Console.WriteLine ("Hello from the thread pool"));

    // 方式2:ThreadPool.QueueUserWorkItem
    ThreadPool.QueueUserWorkItem (t => Console.WriteLine ("Hello from the thread pool"));

    线程池使得线程可以充分有效地被使用,减少了任务启动的延迟。但是不是所有的情况都适合使用线程池中的线程,比如下面要讲的日志案例 - 异步写文件。

    这里讲线程池,是为了让大家大致了解什么时候用线程池中的线程,什么时候不用。即,耗时长或有阻塞情况的不用线程池中的线程。

    创建不走线程池中的线程,可以直接通过new Thread来创建,也可以通过下面的代码来创建:

    隐藏代码Task task = Task.Factory.StartNew(() = >..., TaskCreationOptions.LongRunning); // 注意必须带TaskCreationOptions.LongRunning参数

    这里用到了Task,大家不用关心它,后续博文会详细讲。

    关于线程的知识很多,这里不再深入了,因为这些已经足够让我们应付Web开发了。
    案例:支持并发的异步日志组件

    上文的“并发和异步的区别”的代码中我们用到了一个 Logger类,现在我们就来做一个这样的Logger。

    基于上面的知识,我们可以实现应用程序的并发写日志日志功能。在应用程序中,写日志是常见的功能,简单分析一下该功能的需求:

    1.在后台异步执行,和其它线程互不影响。根据上文线程池的两个最优使用条件,由写日志线程会长时间处于阻塞(或运行等待)状态,所以它不适合使用线程池。即不能使用Task.Run,而最好使用new Thread。

    2.支持并发,即多个任务(分布在不同线程上)可同时调用写日志功能,但需保证线程安全。支持并发,必然要用到锁,但要完全保证线程安全,那就要想办法避免“死锁”。只要我们把“上锁”的操作始终由同一个线程来做即可避免“死锁”问题,但这样的话,并发请求的任务只能放在队列中由该线程依次执行(因为是后台执行,无需即时响应用户,所以可以这么做)。

    3.单个实例,单个线程。任何地方调用写日志功能都调用的是同一个Logger实例(显然不能每次写日志都新建一个实例),即需使用单例模式。不管有多少任务调用写日志功能,都必须始终使用同一个线程来处理这些写日志操作,以保证不占用过多的线程资源和避免新建线程带来的延迟。

    运用上面的知识,我们来写一个这样的类。简单理一下思路:

       1. 需要一个用来存放写日志任务的队列。
       2.需要有一个信号机制来标识是否有新的任务要执行。
       3.当有新的写日志任务时,将该任务加入到队列中,并发出信号。
       4.用一个方法来处理队列中的任务,当接收新任务信号时,就依次调用队列中的任务。

    开发一个功能前需要有个简单的思路,保证心里面有底。具体开发的时候会发现问题,然后再去补充扩展和完善等。刚开始很难想得太周全,先有个简单的思路,然后代码写起来!

    下面是这样一个Logger类初步实现:

    隐藏代码public class Logger {

        // 用于存放写日志任务的队列
        private Queue<Action> _queue;

        // 用于写日志的线程
        private Thread _loggingThread;

        // 用于通知是否有新日志要写的“信号器”
        private ManualResetEvent _hasNew;

        // 构造函数,初始化。
        private Logger() {
            _queue = new Queue<Action>();
            _hasNew = new ManualResetEvent(false);

            _loggingThread = new Thread(Process);
            _loggingThread.IsBackground = true;
            _loggingThread.Start();
        }

        // 使用单例模式,保持一个Logger对象
        private static readonly Logger _logger = new Logger();
        private static Logger GetInstance() {
            /* 不安全代码
            lock (locker) {
                if (_logger == null) {
                    _logger = new Logger();
                }
            }*/
            return _logger;
        }

        // 处理队列中的任务
        private void Process() {
            while (true) {
                // 等待接收信号,阻塞线程。
                _hasNew.WaitOne();

                // 接收到信号后,重置“信号器”,信号关闭。
                _hasNew.Reset();

                // 由于队列中的任务可能在极速地增加,这里等待是为了一次能处理更多的任务,减少对队列的频繁“进出”操作。
                Thread.Sleep(100);

                // 开始执行队列中的任务。
                // 由于执行过程中还可能会有新的任务,所以不能直接对原来的 _queue 进行操作,
                // 先将_queue中的任务复制一份后将其清空,然后对这份拷贝进行操作。

                Queue<Action> queueCopy;
                lock (_queue) {
                    queueCopy = new Queue<Action>(_queue);
                    _queue.Clear();
                }

                foreach (var action in queueCopy) {
                    action();
                }
            }
        }

        private void WriteLog(string content) {
            lock (_queue) { // todo: 这里存在线程安全问题,可能会发生阻塞。
                // 将任务加到队列
                _queue.Enqueue(() => File.AppendAllText("log.txt", content));
            }

            // 打开“信号”
            _hasNew.Set();
        }

        // 公开一个Write方法供外部调用
        public static void Write(string content) {
            // WriteLog 方法只是向队列中添加任务,执行时间极短,所以使用Task.Run。
            Task.Run(() => GetInstance().WriteLog(content));
        }
    }

    类写好了,用上文“并发和异步的区别”中的代码测试一下这个Logger类,在我的电脑上运行的一次结果:

    共 3000条日志,结果没有问题。

    上面的Logger类注释写得很详细,我就不再解析了。

    通过这个示例,目的是让大家掌握线程和并发在开发中的基本应用和要注意的问题。

    遗憾的是这个Logger类并不完美,而且存在线程安全问题(代码中用红色字体标出),虽然实际环境概率很小。可能上面代码多次运行都很难看到有异常发生(我多次运行未发生异常),但同时再添加几个线程可能就会有问题了。

    那么,如何解决这个线程安全问题呢?

    结语

    本文结束了,但留给了大家一个问题 - 如何解决上面的Logger类的线程安全问题。希望有兴趣的朋友们思考后都能参与讨论。

    除此,大家还可一起讨论如何完善它,如何更好的封装它,使其更安全、更健壮、性能更优等等。

    Logger 类 Fork 地址: https://github.com/LiamWang/SimpleLogger
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