32. Синхронизация потоков
При использовании многопоточности естественным образом возникает проблема синхронизации потоков, то есть координации их действий для получения предсказуемого результата.
32.1. Критические секции
Рассмотрим следующий класс:
public class ThreadUnsafe
{
private static int x, y;
public void Go()
{
if (y != 0)
{
Console.WriteLine(x/y);
}
y = 0;
}
}
Этот класс небезопасен с точки зрения многопоточного доступа к данным. Если вызвать метод Go() в разных потоках одновременно, может возникнуть ошибка деления на ноль, так как поле y будет обнулено в одном потоке как раз между проверкой условия y != 0 и вызовом Console.WriteLine() в другом потоке. Чтобы сделать код потокобезопасным, необходимо гарантировать выполнение операторов, составляющих тело метода Go(), только одним потоком в любой момент времени. Такие блоки кода называются критическими секциями.
Для организации критических секций платформа .NET предлагает статический класс System.Threading.Monitor. Метод Monitor.Enter() определяет вход в критическую секцию, а метод Monitor.Exit() – выход из секции. Вход и выход должны выполняться в одном и том же потоке. Аргументами методов является объект-идентификатор критической секции.
Изменим метод Go(), чтобы сделать его потокобезопасным:
public class ThreadSafe
{
// объект locker будет идентификатором критической секции
private static readonly object locker = new object();
private static int x, y;
public void Go()
{
Monitor.Enter(locker); // вход в критическую секцию
if (y != 0)
{
Console.WriteLine(x/y);
}
y = 0;
Monitor.Exit(locker); // выход из критической секции
}
}
Рис. 16 демонстрирует поведение двух потоков, работающих с одной критической секцией.
Рис. 16. Два потока работают с одной критической секцией.
Метод Monitor.Enter() имеет перегруженную версию, с ref-параметром типа bool. Если вход в критическую секцию был выполнен успешно, этот параметр возвращается как true. Если организовать критическую секцию не удалось (например, по причине недостатка памяти), параметр возвращается как false, а метод Enter() выбрасывает исключение.
Язык C# содержит оператор lock, маскирующий вызовы методов Monitor.Enter() и Monitor.Exit(). Синтаксис оператора lock следующий:
lock (выражение) вложенный-оператор
Здесь выражение должно иметь ссылочный тип и задаёт идентификатор критической секции. Часто в качестве выражения записывают поле или переменную, на которую накладывается блокировка. Оператор lock вида lock (x) эквивалентен следующему коду:
bool lockWasTaken = false;
try
{
Monitor.Enter(x, ref lockWasTaken);
// здесь размещается вложенный оператор lock
}
finally
{
if (lockWasTaken)
{
Monitor.Exit(x);
}
}
Перепишем метод Go() класса ThreadSafe, используя оператор lock:
public void Go()
{
lock (locker)
{
if (y != 0)
{
Console.WriteLine(x/y);
}
y = 0;
}
}
Класс System.Threading.Mutex (мьютекс) подобен классу Monitor, но позволяет организовать критическую секцию для нескольких процессов. Применяя Mutex, нужно вызвать метод WaitOne() для входа в критическую секцию, а метод ReleaseMutex() – для выхода из неё (выход может быть произведён только в том же потоке выполнения, что и вход).
Типичный пример использования мьютекса – создание приложения, которое можно запустить только в одном экземпляре:
using System;
using System.Threading;
public class OneAtATimePlease
{
public static void Main()
{
// имя мьютекса должно быть уникально для компьютера
using (var mutex = new Mutex(false, "RandomString"))
{
// пытаемся войти в критическую секцию в течение 3 сек.
// ожидаем 3 секунды на случай, если другой экземпляр
// приложения в процессе завершения работы
if (!mutex.WaitOne(TimeSpan.FromSeconds(3), false))
{
Console.WriteLine("Another instance is running");
return;
}
RunProgram();
}
}
private static void RunProgram()
{
Console.WriteLine("Running (press Enter to exit)");
Console.ReadLine();
}
}
Семафор – это объект синхронизации, позволяющий войти в заданный участок кода не более чем N потокам (N – ёмкость семафора). Аналогией семафора является охранник у входа в клуб с фиксированным количеством мест. Новые посетители попадают в заполненный клуб, только если из него кто-то ушёл. Семафор с ёмкостью, равной единице, аналогичен монитору или мьютексу, однако получение и снятие блокировки в случае семафора может выполняться из разных потоков.
Для организации семафоров платформа .NET предлагает классы Semaphore и SemaphoreSlim из пространства имён System.Threading. Первый класс применяется для синхронизации между процессами, второй работает только в рамках одного процесса. Метод Wait() этих классов выполняет получение блокировки, а метод Release() – снятие блокировки.
using System;
using System.Threading;
public class TheClub
{
// ёмкость семафора равна 2
private static SemaphoreSlim s = new SemaphoreSlim(2);
public static void Main()
{
for (var i = 1; i <= 4; i++)
{
new Thread(Enter).Start(i);
}
}
private static void Enter(object id)
{
Console.WriteLine(id + " wants to enter");
s.Wait();
Console.WriteLine(id + " is in!"); // только два потока
Thread.Sleep(1000 * (int) id); // могут одновременно
Console.WriteLine(id + " is leaving"); // выполнять этот код
s.Release();
}
}
Рис. 17. Демонстрация работы семафора в классе TheClub.
Иногда ресурс нужно блокировать так, чтобы читать его могли несколько потоков, а записывать – только один. Для этих целей предназначен класс ReaderWriterLockSlim. Его экземплярные методы EnterReadLock() и ExitReadLock() задают секцию чтения ресурса, а методы EnterWriteLock() и ExitWriteLock() – секцию записи ресурса. В следующем примере при помощи ReaderWriterLockSlim построен класс, реализующий простой кэш с поддержкой многопоточности:
public class SynchronizedCache
{
private Dictionary<int, string> cache =
new Dictionary<int, string>();
private ReaderWriterLockSlim locker =
new ReaderWriterLockSlim();
public string Read(int key)
{
locker.EnterReadLock(); // секция чтения началась
try
{
return cache[key]; // читать могут несколько потоков
}
finally
{
locker.ExitReadLock(); // секция чтения закончилась
}
}
public void Add(int key, string value)
{
locker.EnterWriteLock(); // секция записи началась
try
{
cache.Add(key, value);
}
finally
{
locker.ExitWriteLock(); // секция запись закончилась
}
}
public bool AddWithTimeout(int key, string value, int timeout)
{
if (locker.TryEnterWriteLock(timeout)) // таймаут входа
{
try
{
cache.Add(key, value);
}
finally
{
locker.ExitWriteLock();
}
return true;
}
return false;
}
}