谈谈多线程的思维方式

前段时间仔细看过些关于多线程方面的资料，项目中用到线程的地方也不少，可是，当看了Jeffrey的一篇关于锁的文章后，发现自己虽然一直都在使用多线程，但是缺少了做多线程编程需要的思维！所以想从Jeffrey的Optex（锁）入手，来谈谈我从其中体会的东西。

在NET中，我们用的最多的锁机制就是lock，用起来很简单，短短几行程序就可以实现，例如：

publicclassTestThreading
{
privateSystem.ObjectlockThis=newSystem.Object();
publicvoidFunction()
{
lock(lockThis)
{
//Accessthread-sensitiveresources.
}
}
}

其实我们也明白，lock并不是锁，而是MS提供的一个简便式的写法，真正实现的是Monitor类中的Enter和Exit方法，既然提到了Monitor类也就说下有个需要注意的地方：
Pulse和PulseAll方法，这两个方法就是把锁状态将要改变的消息通知给等待队列中的线程，不过这时如果等待队列中没有线程，那么该方法就会一直等待下去，直到有等待的线程进入队列，也就是说该方法可能造成类试死锁的情况出现。

上面的lock + 线程(Thread和ThreadPool) = 多线程编程(N%)！？
对于该公式我曾经的N是80，现在是20。其中有很多东西影响我，让我从80->20，下面的Optex就是一个入口点。

---

publicsealedclassOptex:IDisposable{
privateInt32m_Waiters=0;
privateSemaphorem_WaiterLock=newSemaphore(0,Int32.MaxValue);

publicOptex(){}
publicvoidDispose(){
if(m_WaiterLock!=null)
{
m_WaiterLock.Close();
m_WaiterLock=null;
}
}

publicvoidEnter(){
Thread.BeginCriticalRegion();
//AddourselftothesetofthreadsinterestedintheOptex
if(Interlocked.Increment(refm_Waiters)==1){
//Ifwewerethefirstthreadtoshowinterest,wegotit.
return;
}

//AnotherthreadhastheOptex,weneedtowaitforit
m_WaiterLock.WaitOne();
//WhenWaitOnereturns,thisthreadnowhastheOptex
}

publicvoidExit(){
//SubtractourselffromthesetofthreadsinterestedintheOptex
if(Interlocked.Decrement(refm_Waiters)>0){
//Otherthreadsarewaiting,wake1ofthem
m_WaiterLock.Release(1);
}
Thread.EndCriticalRegion();
}
}

看完上面的代码，让我增加了两点认识：
1、Thread.BeginCriticalRegion()和Thread.EndCriticalRegion();
因为这段时间正好看了一本多线程编程的书，既然将上面方法认为是进入临界区和退出临界区，对于临界区而言，进入该区的数据，在没有退出之前，如果临界区外的程序需要使用它，那么就必须出于等待。所以觉得已经使用临界区，为什么还要使用Semaphore？！
可是，MS只是取了个相同的名字，做的事情完全不同，上面两个方法完全没有临界区的概念，它只是设置一个区域(Begin到End之间)，表示该区域内发生线程中断或未处理的异常会影响整个应用程序域。

2、m_Waiters的作用

一开始以为在Enter的时候，直接写上：
m_WaiterLock.WaitOne();

Exit的时候，写上：
m_WaiterLock.Release(1);
这样就可以了。m_Waiters有什么意义？！
优化性能，Semaphore是内核对象，我们都知道，要尽量少的进入内核模式，因为这是很消耗性能，所以尽量少的使用内核对象。m_Waiters的意义就在这里，如果只有一个线程使用该锁对象的时候，是不需要去获取和释放的。 OK，上述的东西都是铺垫，铺完了也就进入主题了！

多线程的思维

---

namespaceThreadConcurrent.Lock
{
publicsealedclassOptex:IDisposable
{
///<summary>
///琐的状态
///</summary>
privateInt32m_LockState=c_lsFree;

///<summary>
///自由状态
///</summary>
privateconstInt32c_lsFree=0x00000000;

///<summary>
///被拥有状态
///</summary>
privateconstInt32c_lsOwned=0x00000001;

///<summary>
///等待的线程数
///</summary>
privateconstInt32c_1Waiter=0x00000002;

privateSemaphorem_WaiterLock=newSemaphore(0,Int32.MaxValue);

#region构造函数

///<summary>
///
///</summary>
publicOptex(){}

#endregion

///<summary>
///请求锁
///</summary>
publicvoidEnter()
{
Thread.BeginCriticalRegion();
while(true)
{
Int32ls=InterlockedOr(refm_LockState,c_lsOwned);

//自由状态
if((ls&c_lsOwned)==c_lsFree)return;

//增加等待的线程数
if(IfThen(refm_LockState,ls,ls+c_1Waiter))
{
m_WaiterLock.WaitOne();
}
}
}

publicvoidExit()
{
//释放琐
Int32ls=InterlockedAnd(refm_LockState,~c_lsOwned);

//无等待的线程
if(ls==c_lsOwned)
{
}
else
{
ls&=~c_lsOwned;
if(IfThen(refm_LockState,ls&~c_lsOwned,ls-c_1Waiter))
{
m_WaiterLock.Release(1);
}
else
{
}
}
Thread.EndCriticalRegion();
}

#region原子化操作

///<summary>
///与操作
///</summary>
///<paramname="target"></param>
///<paramname="with"></param>
///<returns></returns>
privatestaticInt32InterlockedAnd(refInt32target,Int32with)
{
Int32i,j=target;
do
{
i=j;
j=Interlocked.CompareExchange(reftarget,i&with,i);
}while(i!=j);
returnj;
}

///<summary>
///或操作
///</summary>
///<paramname="target"></param>
///<paramname="with"></param>
///<returns></returns>
privatestaticInt32InterlockedOr(refInt32target,Int32with)
{
Int32i,j=target;
do
{
i=j;
j=Interlocked.CompareExchange(reftarget,i|with,i);
}while(i!=j);
returnj;
}

#endregion

privatestaticBooleanIfThen(refInt32val,Int32@if,Int32then)
{
return(Interlocked.CompareExchange(refval,@then,@if)==@if);
}

privatestaticBooleanIfThen(refInt32val,Int32@if,Int32then,outInt32prevVal)
{
prevVal=Interlocked.CompareExchange(refval,@then,@if);
return(prevVal==@if);
}

///<summary>
///释放资源
///</summary>
publicvoidDispose()
{
if(m_WaiterLock!=null)
{
m_WaiterLock.Close();
m_WaiterLock=null;
}
}
}
}

对于上面的这个代码，我晕眩了好一段时间，不过当我真正理解的时候，从晕眩中学到了做多线程编程应该具备的思维方式。
首先从简单的理解开始谈，
1、原子化操作
对于InterLocked类，曾经也知道，但是却用的很少，不过从该代码中知道，在多线程的编程中对共享数据的写入操作，一定要达到原子性。至于如何做到这点，InterlockedAnd和InterlockedOr做了很好的诠释：
While循环的目的就是保证target值以最新的值做与操作，如果传入的值在执行的过程被其他线程改变的话，那么是不会退出该循环的，并会利用改变后的值重新做次与操作。

2、理解Enter和Exit
这两个方法很难写出来解释，用图是最清晰的。


曾经的晕眩：
1、Enter方法中为什么存在循环，为什么不是执行完waitone就结束，必须m_lockState等于c_IsFree的时候才结束？
线程的执行并不完全按照先前排好的顺序去执行，有时会发生一些特殊的情况来使改变线程的调度顺序，所以就可能会出现上图灰色部分的情况，则为了解决该可能发生的问题（概率很小）循环机制就出现了。
2、为什么在WaitOne和Release之前，除了增加和减少等待者外，还需要判断m_lockstate是否改变（进入Enter到执行Waitone前的这段时间）？
一般性的思维：


该程序的思维：

这样做的好处就是尽量少的操作内核对象，提高性能！

多线程编程虽然复杂，但是我觉得很有意思和挑战性，而且随着硬件的发展，多线程编程会更加重要，既然已经上路就让我们走到尽头！