深入多线程之:用Wait与Pulse模拟一些同步构造的应用详解

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简介

在多线程编程中，一些同步构造往往是必需的，以便协调不同线程之间的操作，避免出现竞态条件等问题。这篇文章将介绍用Wait和Pulse模拟一些同步构造的方法。

Wait和Pulse概述

Wait和Pulse是.NET Framework中用于协调同步操作的两个重要方法。Wait方法会释放线程获取的锁，并将线程等待异步通知。这个通知通常是其他线程通过Pulse方法发出的。Pulse方法则会唤醒一个等待状态下的线程。

示例1：生产消费者模式

生产消费者模式是一种常见的同步模式，用于协调生产者和消费者线程之间的操作。生产者线程生成数据，并将其提交到队列中。消费者线程从队列中获取数据，并对其进行处理。

在这个示例中，我们将使用Wait和Pulse方法来模拟生产消费者模式。首先，我们定义一个共享队列，它将用于存储数据。

class SharedQueue
{
    private Queue<int> queue = new Queue<int>();

    public void Enqueue(int item)
    {
        lock (queue)
        {
            queue.Enqueue(item);
            Monitor.Pulse(queue);
        }
    }

    public int Dequeue()
    {
        lock (queue)
        {
            while (queue.Count == 0)
            {
                Monitor.Wait(queue);
            }
            return queue.Dequeue();
        }
    }
}

这个SharedQueue类有两个方法：Enqueue和 Dequeue。Enqueue方法将元素添加到队列中，并通过Monitor.Pulse方法通知等待的线程。Dequeue方法等待队列非空，然后使用Monitor.Wait方法将线程挂起直到队列非空，并返回下一个元素。以下是示例用法：

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        SharedQueue queue = new SharedQueue();
        Thread producer = new Thread(() =>
        {
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                queue.Enqueue(i);
                Console.WriteLine("Produced {0}", i);
                Thread.Sleep(1000);
            }
        });

        Thread consumer = new Thread(() =>
        {
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                int item = queue.Dequeue();
                Console.WriteLine("Consumed {0}", item);
            }
        });

        producer.Start();
        consumer.Start();
        producer.Join();
        consumer.Join();

        Console.WriteLine("Press any key to exit...");
        Console.ReadKey();
    }
}

在这个示例中，我们创建了一个共享队列，并创建了一个生成者线程和一个消费者线程。生成者线程将0~9的数字添加到队列中，而消费者线程从队列中取出数字并输出到控制台中。请注意，由于Wait和Pulse模拟了生产消费者模式的阻塞和唤醒机制，因此我们可以安全地进行线程同步，而不必担心出现竞态条件和死锁等问题。

示例2：自旋锁

自旋锁是一种同步构造，它使用循环等待的方式来获取锁。在当前线程获得锁之前，它会不断地循环检查锁是否可用。如果其他线程持有锁，则当前线程将被挂起，直到另一个线程释放锁。

在这个示例中，我们将使用Wait和Pulse方法来模拟自旋锁。以下是示例代码：

class SpinLock
{
    private bool locked = false;

    public void Enter()
    {
        while (Interlocked.Exchange(ref locked, true)) ;
    }

    public void Exit()
    {
        Volatile.Write(ref locked, false);
    }
}

在这个SpinLock类中，我们使用Interlocked.Exchange方法来循环等待锁。这个方法会原子地交换locked的值，如果原来的值为true，则说明锁已被其他线程持有，当前线程将继续循环等待。而在退出自旋锁时，我们使用了Volatile.Write方法来原子地将locked的值设为false。

以下是示例用法：

class Program
{
    static SpinLock @lock = new SpinLock();

    static void Main(string[] args)
    {
        Thread t1 = new Thread(() =>
        {
            for (int i = 0; i < 100000; i++)
            {
                @lock.Enter();
                Console.Write("A");
                @lock.Exit();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() =>
        {
            for (int i = 0; i < 100000; i++)
            {
                @lock.Enter();
                Console.Write("B");
                @lock.Exit();
            }
        });

        t1.Start();
        t2.Start();
        t1.Join();
        t2.Join();

        Console.WriteLine("Press any key to exit...");
        Console.ReadKey();
    }
}

在这个示例中，我们创建了两个线程，它们可以并发地输出字母A和B。由于SpinLock使用了循环等待的方式，因此两个线程可以安全地访问控制台，而不必担心出现竞态条件。