细说.NET中的多线程 (五 使用信号量进行同步)

上一节主要介绍了使用锁进行同步，本节主要介绍使用信号量进行同步

使用EventWaitHandle信号量进行同步

EventWaitHandle主要用于实现信号灯机制。信号灯主要用于通知等待的线程。主要有两种实现：AutoResetEvent和ManualResetEvent。

AutoResetEvent

AutoResetEvent从字面上理解是一个自动重置的时间。举个例子，假设有很多人等在门外，AutoResetEvent更像一个十字旋转门，每一次只允许一个人进入，进入之后门仍然是关闭状态。

下面的例子演示了使用方式：

using System;
using System.Threading;
class BasicWaitHandle
{
    static EventWaitHandle _waitHandle = new AutoResetEvent(false);

    static void Main()
    {
        for (int i = 0; i < 3; i++)
            new Thread(Waiter).Start();

        for (int i = 0; i < 3; i++)
        {
            Thread.Sleep(1000);                  // Pause for a second...
            Console.WriteLine("通知下一个线程进入");
            _waitHandle.Set();                    // Wake up the Waiter.
        }
        Console.ReadLine();
    }

    static void Waiter()
    {
        var threadId = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;
        Console.WriteLine("线程 {0} 正在等待", threadId);
        _waitHandle.WaitOne();                // 等待通知
        Console.WriteLine("线程 {0} 得到通知，可以进入", threadId);
    }
}

　　

双向信号灯

某些情况下，如果你连续的多次使用Set方法通知工作线程，这个时候工作线程可能还没有准备好接收信号，这样的话后面的几次Set通知可能会没有效果。这种情况下，你需要让主线程得到工作线程接收信息的通知再开始发送信息。你可能需要通过两个信号灯实现这个功能。

示例代码：

using System;
using System.Threading;
class TwoWaySignaling
{
    static EventWaitHandle _ready = new AutoResetEvent(false);
    static EventWaitHandle _go = new AutoResetEvent(false);
    static readonly object _locker = new object();
    static string _message;

    static void Main()
    {
        new Thread(Work).Start();

        _ready.WaitOne();                  // 在工作线程准备接收信息之前需要一直等待
        lock (_locker) _message = "床前明月光";
        _go.Set();                         // 通知工作线程开始工作

        _ready.WaitOne();
        lock (_locker) _message = "疑是地上霜";
        _go.Set();
        _ready.WaitOne();
        lock (_locker) _message = "结束";    // 告诉工作线程退出
        _go.Set();

        Console.ReadLine();
    }

    static void Work()
    {
        while (true)
        {
            _ready.Set();                          // 表示当前线程已经准备接收信号
            _go.WaitOne();                         // 工作线程等待通知
            lock (_locker)
            {
                if (_message == "结束") return;        // 优雅的退出~-~
                Console.WriteLine(_message);
            }
        }
    }
}

生产消费队列

生产消费队列是多线程编程里常见的的需求，他的主要思路是：

1. 一个队列用来存放工作线程需要用到的数据
2. 当新的任务加入队列的时候，调用线程不需要等待工作结束
3. 1个或多个工作线程在后台获取队列中数据信息

示例代码：

using System;
using System.Threading;
using System.Collections.Generic;

class ProducerConsumerQueue : IDisposable
{
  EventWaitHandle _wh = new AutoResetEvent (false);
  Thread _worker;
  readonly object _locker = new object();
  Queue<string> _tasks = new Queue<string>();

  public ProducerConsumerQueue()
  {
    _worker = new Thread (Work);
    _worker.Start();
  }

  public void EnqueueTask (string task)
  {
    lock (_locker) _tasks.Enqueue (task);
    _wh.Set();
  }

  public void Dispose()
  {
    EnqueueTask (null);     // Signal the consumer to exit.
    _worker.Join();         // Wait for the consumer's thread to finish.
    _wh.Close();            // Release any OS resources.
  }

  void Work()
  {
    while (true)
    {
      string task = null;
      lock (_locker)
        if (_tasks.Count > 0)
        {
          task = _tasks.Dequeue();
          if (task == null) return;
        }
      if (task != null)
      {
        Console.WriteLine ("Performing task: " + task);
        Thread.Sleep (1000);  // simulate work...
      }
      else
        _wh.WaitOne();         // No more tasks - wait for a signal
    }
  }
}

为了保证线程安全，我们使用lock来保护Queue<string>集合。我们也显示的关闭了WaitHandle。

在.NET 4.0中，一个新的类BlockingCollection实现了类似生产者消费者队列的功能。

ManualResetEvent

ManualResetEvent从字面上看是一个需要手动关闭的事件。举个例子：假设有很多人等在门外，它像是一个普通的门，门开启之后，所有等在门外的人都可以进来，当你关闭门之后，不再允许外面的人进来。

示例代码：

using System;
using System.Threading;
class BasicWaitHandle
{
    static EventWaitHandle _waitHandle = new ManualResetEvent(false);

    static void Main()
    {
        for (int i = 0; i < 3; i++)
            new Thread(Waiter).Start();

        Thread.Sleep(1000);                  // Pause for a second...
        Console.WriteLine("门已打开，线程进入");
        _waitHandle.Set();                    // Wake up the Waiter.

        new Thread(Waiter).Start();

        Thread.Sleep(2000);

        _waitHandle.Reset();
        Console.WriteLine("门已关闭，线程阻塞");

        new Thread(Waiter).Start();

        Console.ReadLine();
    }

    static void Waiter()
    {
        var threadId = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;
        Console.WriteLine("线程 {0} 正在等待", threadId);
        _waitHandle.WaitOne();                // 等待通知
        Console.WriteLine("线程 {0} 得到通知，可以进入", threadId);
    }
}

ManualResetEvent可以在当前线程唤醒所有等待的线程，这一应用非常重要。

CountdownEvent

CountdownEvent的使用和ManualEvent正好相反，是多个线程共同唤醒一个线程。

示例代码：

using System;
using System.Threading;
class CountDownTest
{
    static CountdownEvent _countdown = new CountdownEvent(3);

    static void Main()
    {
        new Thread(SaySomething).Start("I am thread 1");
        new Thread(SaySomething).Start("I am thread 2");
        new Thread(SaySomething).Start("I am thread 3");

        _countdown.Wait();   // 当前线程被阻塞，直到收到 _countdown发送的三次信号
        Console.WriteLine("All threads have finished speaking!");

        Console.ReadLine();
    }

    static void SaySomething(object thing)
    {
        Thread.Sleep(1000);
        Console.WriteLine(thing);
        _countdown.Signal();
    }
}

创建跨进程的EventWaitHandle

EventWaitHandle的构造方法允许创建一个命名的EventWaitHandle，来实现跨进程的信号量操作。名字只是一个简单的字符串，只要保证不会跟其它进程的锁冲突即可。

示例代码：

EventWaitHandle wh = new EventWaitHandle(false, EventResetMode.AutoReset, "MyCompany.MyApp.SomeName");

　　

如果两个进程运行这段代码，信号量会作用于两个进程内所有的线程。