并发编程 --- 信号量线程同步

短命女 2024-03-17 22:47 170阅读 0赞

### WaitHandle介绍 ###

实际上，再C\#中 `EventWaitHandle` 、 `Semaphore` 、 `Mutex` 都是抽象类 `WaitHandle` 的派生类，它提供了一组等待信号的方法和属性。如下图：

![image.png][]

主要包含静态方法 `SignalAndWait()`，`WaitAll()`，`WaitAny()`及一个虚方法`WaitOne()`。下面介绍一个这几个方法。

介绍这些方法之前，先简单介绍一下 `WaitHandle` 的派生类 `EventWaitHandle`，该派生类有两个实现类 `AutoResetEvent` 和 `ManualResetEvent`，其方法列表如下：

![image.png][image.png 1]

重点说一下，`Set()`和`Reset()`:

*  Set()方法设置事件为有信号状态：当调用 `Set()` 时，它将被设置为终止状态，并允许一个或多个等待该事件的线程继续执行。
 *  Reset()方法设置事件为无信号状态：当调用 `Reset()` 时，它将被设置为非终止状态，所有想要等待该事件的线程都将被阻塞，直到调用 `Set()` 方法使其变为终止状态。

**注意：这里的有信号，无信号的意思类似于红绿灯，有信号你才能够通行，对于线程来说，有信号意味着可以接着往下运行，无信号则阻塞等待信号。**

接下来的代码段演示皆使用 `AutoResetEvent` 进行演示。

#### SignalAndWait() ####

当调用 `WaitHandle` 的静态方法 `SignalAndWait()` 时，会使得当前线程等待一个 `WaitHandle` 对象的信号，同时设置另一个 `WaitHandle` 对象为有信号状态。当第一个 `WaitHandle` 对象收到信号时，当前线程继续执行，同时第二个 `WaitHandle` 对象变为无信号状态。

static AutoResetEvent event1 = new AutoResetEvent(false);
    static AutoResetEvent event2 = new AutoResetEvent(false);
    
    static void Main(string[] args)
    {
        Thread t1 = new Thread(new ThreadStart(Worker1));
        Thread t2 = new Thread(new ThreadStart(Worker2));
    
        t1.Start();
        t2.Start();
    
        Console.ReadLine();
    }
    
    static void Worker1()
    {
        Console.WriteLine("线程1开始执行……");
    
        event1.WaitOne(); // 等待事件1的发生
    
        Console.WriteLine("线程1收到事件1的信号，继续执行……");
    
        WaitHandle.SignalAndWait(event1, event2); // 发送事件2的信号并等待事件2的发生
    
        Console.WriteLine("线程1收到事件2的信号，继续执行……");
    }
    
    static void Worker2()
    {
        Console.WriteLine("线程2开始执行……");
    
        Thread.Sleep(2000); // 模拟线程2的执行时间
    
        Console.WriteLine("线程2发出事件1的信号……");
    
        event1.Set(); // 发送事件1的信号
    
        Thread.Sleep(2000); // 模拟线程2的执行时间
    
        Console.WriteLine("线程2发出事件2的信号……");
    
        WaitHandle.SignalAndWait(event2, event1); // 发送事件1的信号并等待事件1的发生
    
        Console.WriteLine("线程2收到事件1的信号，继续执行……");
    }

输出：

线程1开始执行……
    线程2开始执行……
    线程2发出事件1的信号……
    线程1收到事件1的信号，继续执行……
    线程2发出事件2的信号……
    线程2收到事件1的信号，继续执行……
    线程1收到事件2的信号，继续执行……

#### WaitAll() ####

当调用 `WaitHandle` 的静态方法 `WaitAll()` 时，它可以等待多个WaitHandle对象的信号，直到所有对象都收到信号或等待超时。

static AutoResetEvent[] events = new AutoResetEvent[3]
    {
        new AutoResetEvent(false),
        new AutoResetEvent(false),
        new AutoResetEvent(false)
    };
    
    static void Main(string[] args)
    {
        Thread t1 = new Thread(new ThreadStart(Worker1));
        Thread t2 = new Thread(new ThreadStart(Worker2));
    
        t1.Start();
        t2.Start();
    
        Console.ReadLine();
    }
    
    static void Worker1()
    {
        Console.WriteLine("线程1开始执行……");
    
        WaitHandle.WaitAll(events); // 等待所有事件的发生
    
        Console.WriteLine("线程1收到所有事件的信号，继续执行……");
    }
    
    static void Worker2()
    {
        Console.WriteLine("线程2开始执行……");
    
        Thread.Sleep(2000); // 模拟线程2的执行时间
    
        Console.WriteLine("线程2发出事件1的信号……");
    
        events[0].Set(); // 发送事件1的信号
    
        Thread.Sleep(2000); // 模拟线程2的执行时间
    
        Console.WriteLine("线程2发出事件2的信号……");
    
        events[1].Set(); // 发送事件2的信号
    
        Thread.Sleep(2000); // 模拟线程2的执行时间
    
        Console.WriteLine("线程2发出事件3的信号……");
    
        events[2].Set(); // 发送事件3的信号
    }

输出：

线程1开始执行……
    线程2开始执行……
    线程2发出事件1的信号……
    线程2发出事件2的信号……
    线程2发出事件3的信号……
    线程1收到所有事件的信号，继续执行……

#### WaitAny() ####

当调用 `WaitHandle` 的静态方法 `WaitAny()` 时，它可以等待多个WaitHandle对象中的任意一个对象收到信号，直到有一个对象收到信号或等待超时。

static AutoResetEvent[] events = new AutoResetEvent[3]
    {
        new AutoResetEvent(false),
        new AutoResetEvent(false),
        new AutoResetEvent(false)
    };
    
    static void Main(string[] args)
    {
        Thread t1 = new Thread(new ThreadStart(Worker1));
        Thread t2 = new Thread(new ThreadStart(Worker2));
    
        t1.Start();
        t2.Start();
    
        Console.ReadLine();
    }
    
    static void Worker1()
    {
        Console.WriteLine("线程1开始执行……");
    
        WaitHandle.WaitAny(events); // 等待任意事件的发生
    
        Console.WriteLine("线程1收到任意事件的信号，继续执行……");
    }
    
    static void Worker2()
    {
        Console.WriteLine("线程2开始执行……");
    
        var randomIndex = new Random().Next(0, 2);
    
        Console.WriteLine("线程2发出任意一个事件的信号……");
    
        events[randomIndex].Set(); //发送任意一个事件的信号
    }

输出：

线程1开始执行……
    线程2开始执行……
    线程2发出任意一个事件的信号……
    线程1收到任意事件的信号，继续执行……

#### WaitOne() ####

`WaitOne()`方法上文中其实已经用到了，它就表示阻塞当前线程，等待当前 `WaitHandle` 对象收到信号，直到对象收到信号或等待超时。如果WaitHandle对象收到信号，WaitOne()方法返回true，否则返回false。使用简单就不在贴代码段。

### 派生类的异同 ###

上面已经提到了`EventWaitHandle` 、 `Semaphore` 、 `Mutex` 都是抽象类 `WaitHandle` 的派生类，它们的作用类似，但在使用和实现上有一些不同。下面我们来简单介绍下它们的异同点。

1.  EventWaitHandle：
    
    `EventWaitHandle` 有两种类型：`AutoResetEvent` 和 `ManualResetEvent`。它们的区别在于`AutoResetEvent` 在有信号时只通知一个等待线程，而 `ManualResetEvent` 在有信号时通知所有等待线程。  
    两者设置为终止状态的方式都是调用 `Set()` 方法。
2.  Semaphore
    
    `Semaphore` 可以用于多个线程之间的资源控制。`Semaphore` 可以控制同时访问共享资源的线程数量。设置为终止状态的方式是调用 `Release()` 方法。
3.  Mutex
    
    `Mutex` 可以用于多个线程之间的互斥访问共享资源。`Mutex` 可以保证同一时间只有一个线程可以访问共享资源。设置为终止状态的方式是调用 `ReleaseMutex()` 方法。

[image.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/14/99c601283f7a45c280b70d4acbef2416.png
[image.png 1]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/14/4f9235f632754c55bd3cd183a512af70.png