深入了解C#多线程安全

前面两篇文章，分别简述了多线程的使用和发展历程，但是使用多线程无法避免的一个问题就是多线程安全。那什么是多线程安全？如何解决多线程安全？本文主要通过一些简单的小例子，简述多线程相关的问题，仅供学习分享使用，如有不足之处，还请指正。

什么是多线程安全？

一段程序，单线程和多线程执行结果不一致，就表示存在多线程安全问题，即多线程不安全。

多线程安全示例

1. 多线程不安全示例1

假如我们有一个需求，需要输出5个线程，且线程序号按0-4命名，我们编写代码如下：

private void btntask1_click(object sender, eventargs e)
{
    console.writeline("【开始】**************线程不安全示例btntask1_click**************");

    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        task.run(() =>
        {
            console.writeline($"【begin】**************这是第 {i} 个线程，线程id={thread.currentthread.managedthreadid}**************");
            thread.sleep(2000);
            console.writeline($"【 end 】**************这是第 {i} 个线程，线程id={thread.currentthread.managedthreadid}**************");
        });
    }

    console.writeline("【结束】**************线程不安全示例btntask1_click**************");
}

然后运行示例，如下所示：

通过对以上示例进行分析，得出结论如下：

1.在for循环中，启动的5个线程，线程序号都是5，并没有按照我们预期的结果【0,1,2,3,4】进行输出。

2.经过分析发现，因为for循环中，i是同一个变量，线程启动是异步进行的，存在延迟，当线程启动时，for循环已经结束，i的值为5，所以才导致线程序号和预期不一致。

为了解决上述问题，可以通过引入局部变量来解决，即每次循环声明一个变量，循环5次，存在5个变量，则相互之间不会覆盖。如下所示：

private void btntask1_click(object sender, eventargs e)
{
    console.writeline("【开始】**************线程不安全示例btntask1_click**************");

    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        int k = i;
        task.run(() =>
        {
            console.writeline($"【begin】**************这是第 {k} 个线程，线程id={thread.currentthread.managedthreadid}**************");
            thread.sleep(2000);
            console.writeline($"【 end 】**************这是第 {k} 个线程，线程id={thread.currentthread.managedthreadid}**************");
        });
    }

    console.writeline("【结束】**************线程不安全示例btntask1_click**************");
}

运行优化后的示例，如下所示：

通过运行示例发现，局部变量可以解决相应的问题。

2. 多线程不安全示例2

假如我们有一个需求：将0到200增加到一个列表中，采用多线程来实现，如下所示：

private void btntask2_click(object sender, eventargs e)
{
    console.writeline("【开始】**************线程不安全示例btntask1_click**************");
    list<int> list = new list<int>();
    list<task> tasks = new list<task>();
    for (int i = 0; i < 200; i++)
    {
        tasks.add( task.run(() =>
        {
            list.add(i);
        }));
    }
    task.waitall(tasks.toarray());
    string res = string.join(",", list);
    console.writeline($"列表长度： {list.count} ，列表内容：{res}");
    console.writeline("【结束】**************线程不安全示例btntask1_click**************");
}

通过运行示例，如下所示：

通过对以上示例进行分析，得出结论如下：

1.列表的记录条数不对，会少。

2.列表的元素内容与预期的内容不一致。

针对上述问题，采用中间局部变量的方式，可以解决吗？不妨一试，修改后的 代码如下：

private void btntask2_click(object sender, eventargs e)
{
    console.writeline("【开始】**************线程不安全示例btntask1_click**************");
    list<int> list = new list<int>();
    list<task> tasks = new list<task>();
    for (int i = 0; i < 200; i++)
    {
        int k = i;
        tasks.add( task.run(() =>
        {
            list.add(k);
        }));
    }
    task.waitall(tasks.toarray());
    string res = string.join(",", list);
    console.writeline($"列表长度： {list.count} ，列表内容：{res}");
    console.writeline("【结束】**************线程不安全示例btntask1_click**************");
}

运行优化示例，如下所示：

通过运行上述示例，得出结论如下：

1.列表长度依然不对，会小于实际单一线程的长度。注意：多线程列表长度不是一定会小于单一线程运行时列表长度，只是存在概率，即多个线程存在同时写入一个位置的概率。

2.列表内容，采用局部变量，可以解决部分问题。

由此可以得出list不是线程安全的数据类型。

加锁lock

针对多线程的不安全问题，可以通过加锁进行解决，加锁的目的：在任意时刻，加锁块都之允许一个线程访问。

加锁原理

lock实际是一个语法糖，实际效果等同于monitor。锁定的是引用对象的一个内存地址引用。所以锁定对象不可以是值类型，也不可以是null，只能是引用类型。

lock对象的标准写法：默认情况下，锁对象是私有，静态，只读，引用对象。如下所示：

/// <summary>
/// 定义一个锁对象
/// </summary>
private static readonly object obj = new object();

然后优化程序，如下所示：

private void btntask2_click(object sender, eventargs e)
{
    console.writeline("【开始】**************线程不安全示例btntask1_click**************");
    list<int> list = new list<int>();
    list<task> tasks = new list<task>();
    for (int i = 0; i < 200; i++)
    {
        int k = i;
        tasks.add( task.run(() =>
        {
            lock (obj)
            {
                list.add(k);
            }
        }));
    }
    task.waitall(tasks.toarray());
    string res = string.join(",", list);
    console.writeline($"列表长度： {list.count} ，列表内容：{res}");
    console.writeline("【结束】**************线程不安全示例btntask1_click**************");
}

运行优化后的示例，如下所示：

通过对上述示例进行分析，得出结论如下：

1.加锁后，列表在多线程下也变成安全，符合预期的要求。

2.但是由于加锁的原因，同一时刻，只能由一个线程进入，其他线程就会等待，所以多线程也变成了单线程。

为何锁对象要用私有类型？

标准写法，锁对象是私有类型，目的是为了避免锁对象被其他线程使用，如果被使用，则会相互阻塞，如下所示：

假如，现在有一个锁对象，在testlock中使用，如下所示：

public class testlock
{
    public static readonly object obj = new object();

    public void show()
    {

        console.writeline("【开始】**************线程示例show**************");

        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
            int k = i;
            task.run(() =>
            {
                lock (obj)
                {
                    console.writeline($"【begin】*********t*****这是第 {k} 个线程，线程id={thread.currentthread.managedthreadid}**************");
                    thread.sleep(2000);
                    console.writeline($"【 end 】*********t*****这是第 {k} 个线程，线程id={thread.currentthread.managedthreadid}**************");
                }
            });
        }

        console.writeline("【结束】**************线程示例show**************");
    }
}

同时在frmmain中使用，如下所示：

private void btntask3_click(object sender, eventargs e)
{
    console.writeline("【开始】**************线程示例btntask3_click**************");
    //类对象中多线程
    testlock.show();
    //主方法中多线程
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        int k = i;
        task.run(() =>
        {
            lock (testlock.obj)
            {
                console.writeline($"【begin】*********m*****这是第 {k} 个线程，线程id={thread.currentthread.managedthreadid}**************");
                thread.sleep(2000);
                console.writeline($"【 end 】*********m*****这是第 {k} 个线程，线程id={thread.currentthread.managedthreadid}**************");
            }
        });
    }

    console.writeline("【结束】**************线程示例btntask3_click**************");
}

运行上述示例，如下所示：

通过上述示例，得出结论如下：

1.t和m是成对相邻，且各代码块交互出现。

2.多个代码块，共用一把锁，是会相互阻塞的。这也是为啥不建议使用public修饰符的原因，避免被不恰当的加锁。

如果使用不同的锁对象，多个代码块之间是可以并发的【t和m是不成对，且不相邻出现，但是有同一代码块的内部顺序】，效果如下：

为什么锁对象要用static类型？

假如对象不是static类型，那么锁对象就是对象属性，不同的对象之间是相互独立的，所以不同通对象调用相同的方法，就会存在并发的问题，如下所示：

修改testlock代码【去掉static】，如下所示：

public class testlock
{
    public  readonly object obj = new object();

    public  void show(string name)
    {

        console.writeline("【开始】**************线程示例show--{0}**************",name);

        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
            int k = i;
            task.run(() =>
            {
                lock (obj)
                {
                    console.writeline($"【begin】*********t*****这是第 {k}--{name} 个线程，线程id={thread.currentthread.managedthreadid}**************");
                    thread.sleep(2000);
                    console.writeline($"【 end 】*********t*****这是第 {k}--{name} 个线程，线程id={thread.currentthread.managedthreadid}**************");
                }
            });
        }

        console.writeline("【结束】**************线程示例show--{0}**************",name);
    }
}

声明两个对象，分别调用show方法，如下所示：

private void btntask4_click(object sender, eventargs e)
{
    console.writeline("【开始】**************线程示例btntask3_click**************");
    testlock testlock1 = new testlock();
    testlock1.show("first");

    testlock testlock2 = new testlock();
    testlock2.show("second");
    console.writeline("【结束】**************线程示例btntask3_click**************");
}

测试示例，如下所示：

通过以上示例，得出结论如下：

非静态锁对象，只在当前对象内部进行允许同一时刻只有一个线程进入，但是多个对象之间，是相互并发，相互独立的。所以建议锁对象为static对象。

加锁锁定的是什么？

在lock模式下，锁定的是内存引用地址，而不是锁定的对象的值。假如将form的锁对象的类型改为字符串，如下所示：

/// <summary>
/// 定义一个锁对象
/// </summary>
private static readonly string obj = "花无缺";

同时testlock类的锁对象也改为字符串，如下所示：

public class testlock
{
    private static  readonly string obj = "花无缺";

    public static  void show(string name)
    {

        console.writeline("【开始】**************线程示例show--{0}**************",name);

        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
            int k = i;
            task.run(() =>
            {
                lock (obj)
                {
                    console.writeline($"【begin】*********t*****这是第 {k}--{name} 个线程，线程id={thread.currentthread.managedthreadid}**************");
                    thread.sleep(2000);
                    console.writeline($"【 end 】*********t*****这是第 {k}--{name} 个线程，线程id={thread.currentthread.managedthreadid}**************");
                }
            });
        }

        console.writeline("【结束】**************线程示例show--{0}**************",name);
    }
}

运行上述示例，结果如下：

通过上述示例，得出结论如下：

1.字符串是一种特殊的锁类型，如果字符串的值一致，则认为是同一个锁对象，不同对象之间会进行阻塞。因为string类型是享元的，在内存堆里面只有一个花无缺。

2.如果是其他类型，则是不同的锁对象，是可以相互并发的。

3.说明锁定的是内存引用地址，而非锁定对象的值。

泛型锁对象

如果testlock为泛型类，如下所示：

1 public class testlock<t>
 2 {
 3     private static  readonly object obj = new object(); 4 
 5     public static  void show(string name)
 6     {
 7 
 8         console.writeline("【开始】**************线程示例show--{0}**************",name);
 9 
10         for (int i = 0; i < 5; i++)
11         {
12             int k = i;
13             task.run(() =>
14             {
15                 lock (obj)
16                 {
17                     console.writeline($"【begin】*********t*****这是第 {k}--{name} 个线程，线程id={thread.currentthread.managedthreadid}**************");
18                     thread.sleep(2000);
19                     console.writeline($"【 end 】*********t*****这是第 {k}--{name} 个线程，线程id={thread.currentthread.managedthreadid}**************");
20                 }
21             });
22         }
23 
24         console.writeline("【结束】**************线程示例show--{0}**************",name);
25     }
26 }

那么在调用时，会相互阻塞吗？调用代码如下：

private void btntask5_click(object sender, eventargs e)
{
    console.writeline("【开始】**************线程示例btntask5_click**************");
    testlock<int>.show("aa");
    testlock<string>.show("bb");
    console.writeline("【结束】**************线程示例btntask5_click**************");
}

运行上述示例，如下所示：

通过分析上述示例，得出结论如下所示：

1.对于泛型类，不同类型参数之间是可以相互并发的，因为泛型类针对不同类型参数会编译成不同的类，那对应的锁对象，会变成不同的引用类型。

2.如果锁对象为字符串类型，则也是会相互阻塞的，只是因为字符串是享元模式。

3.泛型t的不同，会编译成不同的副本。

递归加锁

如果在递归函数中进行加锁，会造成死锁吗？示例代码如下：

private void btntask6_click(object sender, eventargs e)
{
    console.writeline("【开始】**************线程示例btntask6_click**************");
    this.add(1);
    console.writeline("【结束】**************线程示例btntask6_click**************");
}

private int num = 0;

private void add(int index) {
    this.num++;
    task.run(()=> {
        lock (obj)
        {
            console.writeline($"【begin】**************这是第 {num} 个线程，线程id={thread.currentthread.managedthreadid}**************");
            thread.sleep(2000);
            console.writeline($"【 end 】**************这是第 {num} 个线程，线程id={thread.currentthread.managedthreadid}**************");

            if (num < 5)
            {
                this.add(index);
            }
        }
    });
}

运行上述示例，如下所示：

通过运行上述示例，得出结论如下：

在递归函数中进行加锁，会进行阻塞等待，但是不会造成死锁。 

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