线程同步介绍及 生产者消费者问题举例 C#版
2024-09-25 14:40:10
现在有五个工人在果园摘水果，一次只能摘一个，摘下的水果放入一个框中，这种框最多只能装50个橘子，一共有两个这样的框。当一个工人装框时，其他工人不能在使用这个框。当两个框都装满了，工人只有等框里有剩余位置后，才能在摘果子。然后，有四个小孩来框里拿橘子，一次最多拿一个，并且当一个小孩在框前拿橘子时，其他小孩只能到另一个框拿橘子，如果两个框前都有小孩拿橘子，那么剩余要拿橘子的小孩只能等待。（这个题目是我自己编的，可能不是很准确）
现在要设计一个程序模拟这样一个过程。
分析：框是互斥资源，每次放橘子前 得判断有没有空闲得框，有就占住加锁，然后里面执行放橘子得方法。放完之后再解锁。框可以用队列表示。
工人和小孩可以用Task模拟。
这里需要两种锁，一种是放橘子得时候得一把Monitor锁，一种是当没有空闲得框后，加的AutoResetEvent锁。
当使用两把锁得时候，需要特别小心，稍不注意都会引发死锁。
Monitor锁再使用得时候，得用引用变量作为加锁得对象，不要用字符串和值变量。虽然再用值变量时，编译器不会报错，但是运行时，Enter会装箱，把值变量变为引用变量，但是再Exit时，依然是个值变量，这样Enter和Exit的锁变量就不是同一个变量，造成找不到锁的情况，就会抛出异常。
另外使用Monitor枷锁时，应该使用 try{}finally{}语句块，保证总是会被解锁，否则遇到异常，不执行解锁语句，就死锁了。
其实lock语句块就是Monitor的简便方法，内部使用的还是Monitor。
对于AutoResetEvent而言，可以暂停和唤醒线程，再不同线程可以相互唤醒和阻塞。这样就非常的灵活。其实推荐使用ManualResetEvent，因为比起AutoResetEvent,可以唤起多个线程，如果说小孩一次拿多个橘子，这种方式就比AutoResetEvent有优势，因AutoResetEvent只唤醒一个线程。
线程的同步还有其他方法，比如再数值上同步 有InterLock，其他的如信号量（Sema'phore）同步，CountDownEvent。
同步的应用，还可以是用进程间同步的方法，实现在一台主机上，每次只能启动一个相同的应用程序，这时可以使用Mutex。
避免资源在线程同步中互斥，还可以用 线程本地存储技术，ThreadLocal,例子：
详见：《C#本质论》第三版，第19章
下面直接看代码：
internal class Program
{
//最多容纳50个橘子每个框
static readonly int MAX = 50;
//两个框
static List<ConcurrentQueue<Orange>> Queues =
new List<ConcurrentQueue<Orange>>();
//记录空闲的框
static List<int> QidxBags = new List<int>(); static int MaxO = 1000; //最多摘1000个橘子 static readonly object Sync = new object();
static readonly object Sync2 = new object();
//比起AutoResetEvent,可以唤起多个线程，如果说小孩一次拿多个橘子，而不是一个，
//这种方式比AutoResetEvent有优势，因为AutoResetEvent只唤醒一个线程。
static ManualResetEvent MResetEvent = new ManualResetEvent(false); static void Main(string[] args)
{
Queues.Add(new ConcurrentQueue<Orange>());
Queues.Add(new ConcurrentQueue<Orange>()); for (int i = 0; i < Queues.Count; i++)
{
QidxBags.Add(i);
}
TaskProduceAndComsummer();
Console.ReadKey();
} static int GetQueuesIdx()
{
int idx = -1; int count = QidxBags.Count; if (count > 0)
{
return count;
} return idx;
} static bool IsEmpty()
{
foreach (var item in Queues)
{
if (item.Count >0)
{
return false;
}
}
return true;
} static bool IsFull()
{
foreach (var item in Queues)
{
if (item.Count < MAX)
{
return false;
}
}
return true;
} static void TaskProduceAndComsummer()
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
string name = "工人_" + (i + 1);
Task t = new Task(Produce, (object)(name)); t.Start();
} for (int i = 0; i < 3; i++)
{
string name = "小孩_" + (i + 1);
Task t = new Task(Consumer, (object)(name)); t.Start();
} }
static void Produce(object name)
{
while (true&&MaxO>0)
{
int count = -1;
int iPos = -1;
lock (Sync2)
{
count = GetQueuesIdx();
}
if (count > 0&&!IsFull())
{
bool refTaken = false; Monitor.Enter(Sync, ref refTaken);
bool isPut = false;
try
{ for (int i = 0; i < count; i++)
{ iPos = QidxBags[i];
var q = Queues[iPos]; if (q.Count < MAX)
{
QidxBags.Remove(iPos);
q.Enqueue(Orange.GetOrange());
MaxO -= 1;
Console.WriteLine(name + ":+摘了一个橘子,放入框【" + iPos + "】中");
Console.WriteLine("框一数量：{0}，框二数量{1}", Queues[0].Count, Queues[1].Count);
isPut = true;
//唤醒小孩线程
MResetEvent.Set();
break;
} }
}
finally
{
if (refTaken)
{
if (iPos > -1)
{
QidxBags.Add(iPos);
} Monitor.Exit(Sync);
if (!isPut)
{
Console.WriteLine("满了");
} }
}
}
else
{
MResetEvent.WaitOne();
} }
} static void Consumer(object name)
{
while (true)
{
int count = GetQueuesIdx();
int iPos = -1;
if (count > 0&&!IsEmpty())
{
bool refTaken = false;
bool isPut = false;
Monitor.Enter(Sync, ref refTaken);
try
{
for (int i = 0; i < count; i++)
{ iPos = QidxBags[i];
var q = Queues[iPos]; if (q.Count >0)
{
QidxBags.Remove(iPos);
Orange o = null;
q.TryDequeue(out o);
Console.WriteLine(name + ":+拿了一个橘子,从框【" + iPos + "】中");
Console.WriteLine("框一数量：{0}，框二数量{1}", Queues[0].Count, Queues[1].Count);
isPut = true;
//框有容量了，可以放了，所以唤醒被阻塞得工人线程
MResetEvent.Set();
break;
} }
}
finally
{
if (refTaken)
{
if (iPos > -1)
{
QidxBags.Add(iPos);
}
Monitor.Exit(Sync);
if (!isPut)
{ Console.WriteLine("都空了"); } }
}
}
else
{
MResetEvent.WaitOne();//阻塞
}
}
}
} public class Orange
{
public static Orange GetOrange()
{
Random rand = new Random();
int t = rand.Next(10, 20);
Thread.Sleep(t);
return new Orange();
}
}
部分结果：
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