單個(gè)寫入程序/多個(gè)閱讀程序在.Net類庫中其實(shí)已經(jīng)提供了實(shí)現(xiàn)，即System.Threading.ReaderWriterLock類。本文通過對常見的單個(gè)寫入/多個(gè)閱讀程序的分析來探索c#的多線程編程。
問題的提出
所謂單個(gè)寫入程序/多個(gè)閱讀程序的線程同步問題，是指任意數(shù)量的線程訪問共享資源時(shí)，寫入程序（線程）需要修改共享資源，而閱讀程序（線程）需要讀取數(shù)據(jù)。在這個(gè)同步問題中，很容易得到下面二個(gè)要求：
1） 當(dāng)一個(gè)線程正在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，其他線程不能寫，也不能讀。
2） 當(dāng)一個(gè)線程正在讀入數(shù)據(jù)時(shí)，其他線程不能寫，但能夠讀。
在數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序環(huán)境中經(jīng)常遇到這樣的問題。比如說，有n個(gè)最終用戶，他們都要同時(shí)訪問同一個(gè)數(shù)據(jù)庫。其中有m個(gè)用戶要將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，n-m個(gè)用戶要讀取數(shù)據(jù)庫中的記錄。
很顯然，在這個(gè)環(huán)境中，我們不能讓兩個(gè)或兩個(gè)以上的用戶同時(shí)更新同一條記錄，如果兩個(gè)或兩個(gè)以上的用戶都試圖同時(shí)修改同一記錄，那么該記錄中的信息就會(huì)被破壞。
我們也不讓一個(gè)用戶更新數(shù)據(jù)庫記錄的同時(shí)，讓另一用戶讀取記錄的內(nèi)容。因?yàn)樽x取的記錄很有可能同時(shí)包含了更新和沒有更新的信息，也就是說這條記錄是無效的記錄。
實(shí)現(xiàn)分析
規(guī)定任一線程要對資源進(jìn)行寫或讀操作前必須申請鎖。根據(jù)操作的不同，分為閱讀鎖和寫入鎖，操作完成之后應(yīng)釋放相應(yīng)的鎖。將單個(gè)寫入程序/多個(gè)閱讀程序的要求改變一下，可以得到如下的形式：
一個(gè)線程申請閱讀鎖的成功條件是：當(dāng)前沒有活動(dòng)的寫入線程。
一個(gè)線程申請寫入鎖的成功條件是：當(dāng)前沒有任何活動(dòng)（對鎖而言）的線程。
因此，為了標(biāo)志是否有活動(dòng)的線程，以及是寫入還是閱讀線程，引入一個(gè)變量m_nActive，如果m_nActive > 0，則表示當(dāng)前活動(dòng)閱讀線程的數(shù)目，如果m_nActive=0，則表示沒有任何活動(dòng)線程，m_nActive <0，表示當(dāng)前有寫入線程在活動(dòng)，注意m_nActive<0，時(shí)只能取-1的值，因?yàn)橹辉试S有一個(gè)寫入線程活動(dòng)。
為了判斷當(dāng)前活動(dòng)線程擁有的鎖的類型，我們采用了線程局部存儲(chǔ)技術(shù)（請參閱其它參考書籍），將線程與特殊標(biāo)志位關(guān)聯(lián)起來。
申請閱讀鎖的函數(shù)原型為：public void AcquireReaderLock( int millisecondsTimeout )，其中的參數(shù)為線程等待調(diào)度的時(shí)間。函數(shù)定義如下：
public void AcquireReaderLock( int millisecondsTimeout )
{
// m_mutext很快可以得到，以便進(jìn)入臨界區(qū)
m_mutex.WaitOne( );
// 是否有寫入線程存在
bool bExistingWriter = ( m_nActive < 0 );
if( bExistingWriter )
{ //等待閱讀線程數(shù)目加1,當(dāng)有鎖釋放時(shí)，根據(jù)此數(shù)目來調(diào)度線程
m_nWaitingReaders++;
}
else
{ //當(dāng)前活動(dòng)線程加1
m_nActive++;
}
m_mutex.ReleaseMutex();
//存儲(chǔ)鎖標(biāo)志為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 )
{ //等待指定的時(shí)間
this.m_aeReaders.WaitOne( millisecondsTimeout, true );
}
}
它首先進(jìn)入臨界區(qū)（用以在多線程環(huán)境下保證活動(dòng)線程數(shù)目的操作的正確性）判斷當(dāng)前活動(dòng)線程的數(shù)目，如果有寫線程(m_nActive<0)存在，則等待指定的時(shí)間并且等待的閱讀線程數(shù)目加1。如果當(dāng)前活動(dòng)線程是讀線程(m_nActive>=0)，則可以讓讀線程繼續(xù)運(yùn)行。
申請寫入鎖的函數(shù)原型為：public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout )，其中的參數(shù)為等待調(diào)度的時(shí)間。函數(shù)定義如下：
public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout )
{
// m_mutext很快可以得到，以便進(jìn)入臨界區(qū)
m_mutex.WaitOne( );
// 是否有活動(dòng)線程存在
bool bNoActive = m_nActive == 0;
if( !bNoActive )
{
m_nWaitingWriters++;
}
else
{
m_nActive--;
}
m_mutex.ReleaseMutex();
//存儲(chǔ)線程鎖標(biāo)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 ) );
}
//如果有活動(dòng)線程，等待指定的時(shí)間
if( !bNoActive )
this.m_aeWriters.WaitOne( millisecondsTimeout, true );
}
它首先進(jìn)入臨界區(qū)判斷當(dāng)前活動(dòng)線程的數(shù)目，如果當(dāng)前有活動(dòng)線程存在，不管是寫線程還是讀線程（m_nActive），線程將等待指定的時(shí)間并且等待的寫入線程數(shù)目加1，否則線程擁有寫的權(quán)限。
釋放閱讀鎖的函數(shù)原型為：public void ReleaseReaderLock()。函數(shù)定義如下：
public void ReleaseReaderLock()
{
System.LocalDataStoreSlot slot = Thread.GetNamedDataSlot(m_strThreadSlotName );
LockFlags flag = (LockFlags)Thread.GetData( slot );
if( flag == LockFlags.None )
{
return;
}
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();
}
釋放閱讀鎖時(shí)，首先判斷當(dāng)前線程是否擁有閱讀鎖（通過線程局部存儲(chǔ)的標(biāo)志），然后判斷是否有等待的閱讀線程，如果有，先將當(dāng)前活動(dòng)線程加1，等待閱讀線程數(shù)目減1，然后置事件為有信號(hào)。如果沒有等待的閱讀線程，判斷是否有等待的寫入線程，如果有則活動(dòng)線程數(shù)目減1，等待的寫入線程數(shù)目減1。釋放寫入鎖與釋放閱讀鎖的過程基本一致，可以參看源代碼。
注意在程序中，釋放鎖時(shí)，只會(huì)喚醒一個(gè)閱讀程序，這是因?yàn)槭褂肁utoResetEvent的原歷，讀者可自行將其改成ManualResetEvent，同時(shí)喚醒多個(gè)閱讀程序，此時(shí)應(yīng)令m_nActive等于整個(gè)等待的閱讀線程數(shù)目。
申請寫入鎖的函數(shù)原型為：public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout )，其中的參數(shù)為等待調(diào)度的時(shí)間。函數(shù)定義如下：
public void AcquireWriterLock( int millisecondsTimeout )
{
// m_mutext很快可以得到，以便進(jìn)入臨界區(qū)
m_mutex.WaitOne( );
// 是否有活動(dòng)線程存在
bool bNoActive = m_nActive == 0;
if( !bNoActive )
{
m_nWaitingWriters++;
}
else
{
m_nActive--;
}
m_mutex.ReleaseMutex();
//存儲(chǔ)線程鎖標(biāo)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 ) );
}
//如果有活動(dòng)線程，等待指定的時(shí)間
if( !bNoActive )
this.m_aeWriters.WaitOne( millisecondsTimeout, true );
}
它首先進(jìn)入臨界區(qū)判斷當(dāng)前活動(dòng)線程的數(shù)目，如果當(dāng)前有活動(dòng)線程存在，不管是寫線程還是讀線程（m_nActive），線程將等待指定的時(shí)間并且等待的寫入線程數(shù)目加1，否則線程擁有寫的權(quán)限。
釋放閱讀鎖的函數(shù)原型為：public void ReleaseReaderLock()。函數(shù)定義如下：
public void ReleaseReaderLock()
{
System.LocalDataStoreSlot slot = Thread.GetNamedDataSlot(m_strThreadSlotName );
LockFlags flag = (LockFlags)Thread.GetData( slot );
if( flag == LockFlags.None )
{
return;
}
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();
}
釋放閱讀鎖時(shí)，首先判斷當(dāng)前線程是否擁有閱讀鎖（通過線程局部存儲(chǔ)的標(biāo)志），然后判斷是否有等待的閱讀線程，如果有，先將當(dāng)前活動(dòng)線程加1，等待閱讀線程數(shù)目減1，然后置事件為有信號(hào)。如果沒有等待的閱讀線程，判斷是否有等待的寫入線程，如果有則活動(dòng)線程數(shù)目減1，等待的寫入線程數(shù)目減1。釋放寫入鎖與釋放閱讀鎖的過程基本一致，可以參看源代碼。
注意在程序中，釋放鎖時(shí)，只會(huì)喚醒一個(gè)閱讀程序，這是因?yàn)槭褂肁utoResetEvent的原歷，讀者可自行將其改成ManualResetEvent，同時(shí)喚醒多個(gè)閱讀程序，此時(shí)應(yīng)令m_nActive等于整個(gè)等待的閱讀線程數(shù)目。
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