深入了解C#多線程安全

更新時間：2021年12月22日 09:29:54 作者：小六公子

使用多線程無法避免的一個問題就是多線程安全。那什么是多線程安全？如何解決多線程安全？本文將通過一些簡單的例子為大家詳細介紹一下多線程相關(guān)的問題，感興趣的可以了解一下

前面兩篇文章，分別簡述了多線程的使用和發(fā)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。那什么是多線程安全？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(guān)的問題，僅供學(xué)習(xí)分享使用，如有不足之處，還請指正。

什么是多線程安全？

一段程序，單線程和多線程執(zhí)行結(jié)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(jié)束】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
}

然后運行示例，如下所示：

通過對以上示例進行分析，得出結(jié)論如下：

1.在for循環(huán)中，啟動的5個線程，線程序號都是5，并沒有按照我們預(yù)期的結(jié)果【0,1,2,3,4】進行輸出。

2.經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，因為for循環(huán)中，i是同一個變量，線程啟動是異步進行的，存在延遲，當(dāng)線程啟動時，for循環(huán)已經(jīng)結(jié)束，i的值為5，所以才導(dǎo)致線程序號和預(yù)期不一致。

為了解決上述問題，可以通過引入局部變量來解決，即每次循環(huán)聲明一個變量，循環(huán)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(jié)束】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
}

運行優(yōu)化后的示例，如下所示：

通過運行示例發(fā)現(xiàn)，局部變量可以解決相應(yīng)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(xiàn)，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(nèi)容：{res}");
    Console.WriteLine("【結(jié)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(jié)論如下：

1.列表的記錄條數(shù)不對，會少。

2.列表的元素內(nèi)容與預(yù)期的內(nèi)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，修改后的代碼如下：

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(nèi)容：{res}");
    Console.WriteLine("【結(jié)束】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
}

運行優(yōu)化示例，如下所示：

通過運行上述示例，得出結(jié)論如下：

1.列表長度依然不對，會小于實際單一線程的長度。注意：多線程列表長度不是一定會小于單一線程運行時列表長度，只是存在概率，即多個線程存在同時寫入一個位置的概率。

2.列表內(nèi)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(shù)據(jù)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，實際效果等同于Monitor。鎖定的是引用對象的一個內(nèi)存地址引用。所以鎖定對象不可以是值類型，也不可以是null，只能是引用類型。

lock對象的標(biāo)準(zhǔn)寫法：默認情況下，鎖對象是私有，靜態(tài)，只讀，引用對象。如下所示：

/// <summary>
/// 定義一個鎖對象
/// </summary>
private static readonly object obj = new object();

然后優(yōu)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(nèi)容：{res}");
    Console.WriteLine("【結(jié)束】**************線程不安全示例btnTask1_Click**************");
}

運行優(yōu)化后的示例，如下所示：

通過對上述示例進行分析，得出結(jié)論如下：

1.加鎖后，列表在多線程下也變成安全，符合預(yù)期的要求。

2.但是由于加鎖的原因，同一時刻，只能由一個線程進入，其他線程就會等待，所以多線程也變成了單線程。

為何鎖對象要用私有類型？

標(biāo)準(zhǔn)寫法，鎖對象是私有類型，目的是為了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(xiàn)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(jié)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(jié)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(jié)論如下：

1.T和M是成對相鄰，且各代碼塊交互出現(xiàn)。

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(dāng)?shù)募渔i。

如果使用不同的鎖對象，多個代碼塊之間是可以并發(fā)的【T和M是不成對，且不相鄰出現(xiàn)，但是有同一代碼塊的內(nèi)部順序】，效果如下：

為什么鎖對象要用static類型？

假如對象不是static類型，那么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(diào)用相同的方法，就會存在并發(fā)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(jié)束】**************線程示例Show--{0}**************",name);
    }
}

聲明兩個對象，分別調(diào)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(jié)束】**************線程示例btnTask3_Click**************");
}

測試示例，如下所示：

通過以上示例，得出結(jié)論如下：

非靜態(tài)鎖對象，只在當(dāng)前對象內(nèi)部進行允許同一時刻只有一個線程進入，但是多個對象之間，是相互并發(fā)，相互獨立的。所以建議鎖對象為static對象。

加鎖鎖定的是什么？

在lock模式下，鎖定的是內(nèi)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(jié)束】**************線程示例Show--{0}**************",name);
    }
}

運行上述示例，結(jié)果如下：

通過上述示例，得出結(jié)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(nèi)存堆里面只有一個花無缺。

2.如果是其他類型，則是不同的鎖對象，是可以相互并發(fā)的。

3.說明鎖定的是內(nèi)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(jié)束】**************線程示例Show--{0}**************",name);
25     }
26 }

那么在調(diào)用時，會相互阻塞嗎？調(diào)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(jié)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(jié)論如下所示：

1.對于泛型類，不同類型參數(shù)之間是可以相互并發(fā)的，因為泛型類針對不同類型參數(shù)會編譯成不同的類，那對應(yīng)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，只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(shù)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(jié)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：