C#线程同步--限量使用

问题抽象：当某一资源同一时刻允许一定数量的线程使用的时候，需要有个机制来阻塞多余的线程，直到资源再次变得可用。
线程同步方案：Semaphore、SemaphoreSlim、CountdownEvent
方案特性：限量供应；除所有者外，其他人无条件等待；先到先得，没有先后顺序

1、Semaphore类
      用于控制线程的访问数量，默认的构造函数为initialCount和maximumCount，表示默认设置的信号量个数和最大信号量个数。当你WaitOne的时候，信号量自减，当Release的时候，信号量自增，然而当信号量为0的时候，后续的线程就不能拿到WaitOne了，所以必须等待先前的线程通过Release来释放。

using System;
using System.Threading;

namespace ConsoleApp1
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Thread t1 = new Thread(Run1);
            t1.Start();
            Thread t2 = new Thread(Run2);
            t2.Start();
            Thread t3 = new Thread(Run3);
            t3.Start();
            Console.ReadKey();
        }

        //初始可以授予2个线程信号，因为第3个要等待前面的Release才能得到信号
        static Semaphore sem = new Semaphore(2, 10);

        static void Run1()
        {
            sem.WaitOne();
            Console.WriteLine("大家好，我是Run1;" + DateTime.Now.ToString("mm:ss"));

            //两秒后
            Thread.Sleep(2000);
            sem.Release();
        }

        static void Run2()
        {
            sem.WaitOne();
            Console.WriteLine("大家好，我是Run2;" + DateTime.Now.ToString("mm:ss"));

            //两秒后
            Thread.Sleep(2000);
            sem.Release();
        }

        static void Run3()
        {
            sem.WaitOne();
            Console.WriteLine("大家好，我是Run3;" + DateTime.Now.ToString("mm:ss"));

            //两秒后
            Thread.Sleep(2000);
            sem.Release();
        }
    }
}

在以上的方法中Release()方法相当于自增一个信号量，Release(5)自增5个信号量。但是，Release()到构造函数的第二个参数maximumCount的值就不能再自增了。

Semaphore可用于进程级交互。

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Threading;

namespace ConsoleApp1
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {

            Thread t1 = new Thread(Run1);
            t1.Start();

            Thread t2 = new Thread(Run2);
            t2.Start();

            Console.Read();
        }

        //初始可以授予2个线程信号，因为第3个要等待前面的Release才能得到信号
        static Semaphore sem = new Semaphore(3, 10, "命名Semaphore");

        static void Run1()
        {
            sem.WaitOne();

            Console.WriteLine("进程：" + Process.GetCurrentProcess().Id + "  我是Run1" + DateTime.Now.TimeOfDay);
        }

        static void Run2()
        {
            sem.WaitOne();

            Console.WriteLine("进程：" + Process.GetCurrentProcess().Id + "  我是Run2" + DateTime.Now.TimeOfDay);
        }
    }
}

直接运行两次bin目录的exe文件，就能发现最多只能输出3个。

Semaphore可以限制可同时访问某一资源或资源池的线程数。

        Semaphore类在内部维护一个计数器，当一个线程调用Semaphore对象的Wait系列方法时，此计数器减一，只要计数器还是一个正数，线程就不会阻塞。当计数器减到0时，再调用Semaphore对象Wait系列方法的线程将被阻塞，直到有线程调用Semaphore对象的Release()方法增加计数器值时，才有可能解除阻塞状态。

 

示例说明：
图书馆都配备有若干台公用计算机供读者查询信息，当某日读者比较多时，必须排队等候。UseLibraryComputer实例用多线程模拟了多人使用多台计算机的过程

using System;
using System.Threading;

namespace ConsoleApp1
{
    class Program
    {
        //图书馆拥有的公用计算机  
        private const int ComputerNum = 3;
        private static Computer[] LibraryComputers;
        //同步信号量  
        public static Semaphore sp = new Semaphore(ComputerNum, ComputerNum);

        static void Main(string[] args)
        {
            //图书馆拥有ComputerNum台电脑  
            LibraryComputers = new Computer[ComputerNum];
            for (int i = 0; i < ComputerNum; i++)
                LibraryComputers[i] = new Computer("Computer" + (i + 1).ToString());
            int peopleNum = 0;
            Random ran = new Random();
            Thread user;
            System.Console.WriteLine("敲任意键模拟一批批的人排队使用{0}台计算机，ESC键结束模拟……", ComputerNum);
            //每次创建若干个线程，模拟人排队使用计算机  
            while (System.Console.ReadKey().Key != ConsoleKey.Escape)
            {
                peopleNum = ran.Next(0, 10);
                System.Console.WriteLine("
有{0}人在等待使用计算机。", peopleNum);

                for (int i = 1; i <= peopleNum; i++)
                {
                    user = new Thread(UseComputer);
                    user.Start("User" + i.ToString());
                }
            }
        }

        //线程函数  
        static void UseComputer(Object UserName)
        {
            sp.WaitOne();//等待计算机可用  

            //查找可用的计算机  
            Computer cp = null;
            for (int i = 0; i < ComputerNum; i++)
                if (LibraryComputers[i].IsOccupied == false)
                {
                    cp = LibraryComputers[i];
                    break;
                }
            //使用计算机工作  
            cp.Use(UserName.ToString());

            //不再使用计算机，让出来给其他人使用  
            sp.Release();
        }
    }

    class Computer
    {
        public readonly string ComputerName = "";
        public Computer(string Name)
        {
            ComputerName = Name;
        }
        //是否被占用  
        public bool IsOccupied = false;
        //人在使用计算机  
        public void Use(String userName)
        {
            System.Console.WriteLine("{0}开始使用计算机{1}", userName, ComputerName);
            IsOccupied = true;
            Thread.Sleep(new Random().Next(1, 2000)); //随机休眠，以模拟人使用计算机  
            System.Console.WriteLine("{0}结束使用计算机{1}", userName, ComputerName);
            IsOccupied = false;
        }
    }
}

2、SemaphoreSlim类

     在.net 4.0之前，framework中有一个重量级的Semaphore，可以跨进程同步，SemaphoreSlim轻量级不行，msdn对它的解释为：限制可同时访问某一资源或资源池的线程数。

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace ConsoleApp1
{
    class Program
    {
        static SemaphoreSlim slim = new SemaphoreSlim(Environment.ProcessorCount, 12);

        static void Main(string[] args)
        {
            for (int i = 0; i < 12; i++)
            {
                Task.Factory.StartNew((obj) =>
                {
                    Run(obj);
                }, i);
            }
            Console.Read();
        }

        static void Run(object obj)
        {
            slim.Wait();
            Console.WriteLine("当前时间:{0}任务 {1}已经进入。", DateTime.Now, obj);
            //这里busy3s中
            Thread.Sleep(3000);
            slim.Release();
        }
    }
}

同样，防止死锁的情况，我们需要知道”超时和取消标记“的解决方案，像SemaphoreSlim这种定死的”线程请求范围“，其实是降低了扩展性，使用需谨慎，在觉得有必要的时候使用它

注:Semaphore类是SemaphoreSlim类的老版本,该版本使用纯粹的内核时间(kernel-time)方式。

    SemaphoreSlim类不使用Windows内核信号量,而且也不支持进程间同步。所以在跨程序同步的场景下可以使用Semaphore

 

3、CountdownEvent类

     这种采用信号状态的同步基元非常适合在动态的fork,join的场景，它采用“信号计数”的方式，就比如这样，一个麻将桌只能容纳4个人打麻将，如果后来的人也想搓一把碰碰运气，那么他必须等待直到麻将桌上的人走掉一位。好，这就是简单的信号计数机制，从技术角度上来说它是定义了最多能够进入关键代码的线程数。

     但是CountdownEvent更牛X之处在于我们可以动态的改变“信号计数”的大小，比如一会儿能够容纳8个线程，一下又4个，一下又10个，这样做有什么好处呢？比如一个任务需要加载1w条数据，那么可能出现这种情况。

例如:

加载User表：         根据user表的数据量，我们需要开5个task。

加载Product表：    产品表数据相对比较多，计算之后需要开8个task。

加载order表：       由于我的网站订单丰富，计算之后需要开12个task。

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;

namespace ConsoleApp1
{
    class Program
    {
        //默认的容纳大小为“硬件线程“数
        static CountdownEvent cde = new CountdownEvent(Environment.ProcessorCount);

        static void LoadUser(object obj)
        {
            try
            {
                Console.WriteLine("ThreadId={0};当前任务:{1}正在加载User部分数据！", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, obj);
            }
            finally
            {
                cde.Signal();
            }
        }

        static void LoadProduct(object obj)
        {
            try
            {
                Console.WriteLine("ThreadId={0};当前任务:{1}正在加载Product部分数据！", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, obj);
            }
            finally
            {
                cde.Signal();
            }
        }

        static void LoadOrder(object obj)
        {
            try
            {
                Console.WriteLine("ThreadId={0};当前任务:{1}正在加载Order部分数据！", Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, obj);
            }
            finally
            {
                cde.Signal();
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            //加载User表需要5个任务
            var userTaskCount = 5;
            //重置信号
            cde.Reset(userTaskCount);
            for (int i = 0; i < userTaskCount; i++)
            {
                Task.Factory.StartNew((obj) =>
                {
                    LoadUser(obj);
                }, i);
            }
            //等待所有任务执行完毕
            cde.Wait();
            Console.WriteLine("
User表数据全部加载完毕！
");

            //加载product需要8个任务
            var productTaskCount = 8;
            //重置信号
            cde.Reset(productTaskCount);
            for (int i = 0; i < productTaskCount; i++)
            {
                Task.Factory.StartNew((obj) =>
                {
                    LoadProduct(obj);
                }, i);
            }
            cde.Wait();
            Console.WriteLine("
Product表数据全部加载完毕！
");

            //加载order需要12个任务
            var orderTaskCount = 12;
            //重置信号
            cde.Reset(orderTaskCount);
            for (int i = 0; i < orderTaskCount; i++)
            {
                Task.Factory.StartNew((obj) =>
                {
                    LoadOrder(obj);
                }, i);
            }
            cde.Wait();
            Console.WriteLine("
Order表数据全部加载完毕！
");

            Console.WriteLine("
(*^__^*) 嘻嘻，恭喜你，数据全部加载完毕
");
            Console.Read();
        }
    }
}

我们看到有两个主要方法：Wait和Signal。每调用一次Signal相当于麻将桌上走了一个人，直到所有人都搓过麻将wait才给放行，这里同样要注意也就是“超时“问题的存在性，尤其是在并行计算中，轻量级别给我们提供了”取消标记“的机制，这是在重量级别中不存在的

注:如果调用Signal()没有到达指定的次数,那么Wait()将一直等待,请确保使用每个线程完成后都要调用Signal方法。