Книга: C# 4.0: полное руководство

Синхронизация

Синхронизация

Когда используется несколько потоков, то иногда приходится координировать действия двух или более потоков. Процесс достижения такой координации называется синхронизацией. Самой распространенной причиной применения синхронизации служит необходимость разделять среди двух или более потоков общий ресурс, который может быть одновременно доступен только одному потоку. Например, когда в одном потоке выполняется запись информации в файл, второму потоку должно быть запрещено делать это в тот же самый момент времени. Синхронизация требуется и в том случае, если один поток ожидает событие, вызываемое другим потоком. В подобной ситуации требуются какие-то средства, позволяющие приостановить один из потоков до тех пор, пока не произойдет событие в другом потоке. После этого ожидающий поток может возобновить свое выполнение.

В основу синхронизации положено понятие блокировки, посредством которой организуется управление доступом к кодовому блоку в объекте. Когда объект заблокирован одним потоком, остальные потоки не могут получить доступ к заблокированному кодовому блоку. Когда же блокировка снимается одним потоком, объект становится доступным для использования в другом потоке.

Средство блокировки встроено в язык С#. Благодаря этому все объекты могут быть синхронизированы. Синхронизация организуется с помощью ключевого слова lock. Она была предусмотрена в C# с самого начала, и поэтому пользоваться ею намного проще, чем кажется на первый взгляд. В действительности синхронизация объектов во многих программах на C# происходит практически незаметно.

Ниже приведена общая форма блокировки:

lock(lockObj) {
// синхронизируемые операторы
}

где lockObj обозначает ссылку на синхронизируемый объект. Если же требуется синхронизировать только один оператор, то фигурные скобки не нужны. Оператор lock гарантирует, что фрагмент кода, защищенный блокировкой для данного объекта, будет использоваться только в потоке, получающем эту блокировку. А все остальные потоки блокируются до тех пор, пока блокировка не будет снята. Блокировка снимается по завершении защищаемого ею фрагмента кода.

Блокируемым считается такой объект, который представляет синхронизируемый ресурс. В некоторых случаях им оказывается экземпляр самого ресурса или же произвольный экземпляр объекта, используемого для синхронизации. Следует, однако, иметь в виду, что блокируемый объект не должен быть общедоступным, так как в противном случае он может быть заблокирован из другого, неконтролируемого в программе фрагмента кода и в дальнейшем вообще не разблокируется. В прошлом для блокировки объектов очень часто применялась конструкция lock(this). Но она пригодна только в том случае, если this является ссылкой на закрытый объект. В связи с возможными программными и концептуальными ошибками, к которым может привести конструкция lock(this), применять ее больше не рекомендуется. Вместо нее лучше создать закрытый объект, чтобы затем заблокировать его. Именно такой подход принят в примерах программ, приведенных далее в этой главе. Но в унаследованном коде C# могут быть обнаружены примеры применения конструкции lock(this). В одних случаях такой код оказывается безопасным, а в других — требует изменений во избежание серьезных осложнений при его выполнении.

В приведенной ниже программе синхронизация демонстрируется на примере управления доступом к методу SumIt(), суммирующему элементы целочисленного массива.

// Использовать блокировку для синхронизации доступа к объекту.
using System;
using System.Threading;
class SumArray {
  int sum;
  object lockOn = new object(); // закрытый объект, доступный
                  // для последующей блокировки
  public int SumIt(int[] nums) {
    lock(lockOn) { // заблокировать весь метод
      sum =0; // установить исходное значение суммы
      for(int i=0; i < nums.Length; i++) {
        sum += nums[i];
        Console.WriteLine("Текущая сумма для потока " +
               Thread.CurrentThread.Name + " равна " +
               sum);
        Thread.Sleep(10); // разрешить переключение задач
      }
      return sum;
    }
  }
}
class MyThread {
  public Thread Thrd;
  int[] a;
  int answer;
  // Создать один объект типа SumArray для всех
  // экземпляров класса MyThread.
  static SumArray sa = new SumArray();
  // Сконструировать новый поток,
  public MyThread(string name, int [ ] nums) {
    a = nums;
    Thrd = new Thread(this.Run);
    Thrd.Name = name;
    Thrd.Start(); // начать поток
  }
  // Начать выполнение нового потока,
  void Run() {
    Console.WriteLine(Thrd.Name + " начат.");
    answer = sa.SumIt(a);
    Console.WriteLine("Сумма для потока " + Thrd.Name +
            " равна " + answer);
    Console.WriteLine(Thrd.Name + " завершен.");
  }
}
class Sync {
  static void Main() {
    int[] a = {1, 2, 3, 4, 5};
    MyThread mt1 = new MyThread ("Потомок #1", a);
    MyThread mt2 = new MyThread("Потомок #2", a);
    mt1.Thrd.Join();
    mt2.Thrd.Join() ;
  }
}

Ниже приведен результат выполнения данной программы, хотя у вас он может оказаться несколько иным.

Потомок #1 начат.
Потомок #2 начат.
Текущая сумма для потока Потомок #1 равна 1
Текущая сумма для потока Потомок #1 равна 3
Текущая сумма для потока Потомок #1 равна 6
Текущая сумма для потока Потомок #1 равна 10
Текущая сумма для потока Потомок #1 равна 15
Сумма для потока Потомок #1 равна 15
Потомок #1 завершен.
Текущая сумма для потока Потомок #2 равна 1
Текущая сумма для потока Потомок #2 равна 3
Текущая сумма для потока Потомок #2 равна 6
Текущая сумма для потока Потомок #2 равна 10
Текущая сумма для потока Потомок #2 равна 15
Сумма для потока Потомок #2 равна 15
Потомок #2 завершен.

Как следует из приведенного выше результата, в обоих потоках правильно подсчитывается сумма, равная 15.

Рассмотрим эту программу более подробно. Сначала в ней создаются три класса. Первым из них оказывается класс SumArray, в котором определяется метод SumIt(), суммирующий элементы целочисленного массива. Вторым создается класс MyThread, в котором используется статический объект sa типа SumArray. Следовательно, единственный объект типа SumArray используется всеми объектами типа MyThread. С помощью этого объекта получается сумма элементов целочисленного массива. Обратите внимание на то, что текущая сумма запоминается в поле sum объекта типа SumArray. Поэтому если метод SumIt() используется параллельно в двух потоках, то оба потока попытаются обратиться к полю sum, чтобы сохранить в нем текущую сумму. А поскольку это может привести к ошибкам, то доступ к методу SumIt() должен быть синхронизирован. И наконец, в третьем классе, Sync, создаются два потока, в которых подсчитывается сумма элементов целочисленного массива.

Оператор lock в методе SumIt() препятствует одновременному использованию данного метода в разных потоках. Обратите внимание на то, что в операторе lock объект lockOn используется в качестве синхронизируемого. Это закрытый объект, предназначенный исключительно для синхронизации. Метод Sleep() намеренно вызывается для того, чтобы произошло переключение задач, хотя в данном случае это невозможно. Код в методе SumIt() заблокирован, и поэтому он может быть одновременно использован только в одном потоке. Таким образом, когда начинает выполняться второй порожденный поток, он не сможет войти в метод SumIt() до тех пор, пока из него не выйдет первый порожденный поток. Благодаря этому гарантируется получение правильного результата.

Для того чтобы полностью уяснить принцип действия блокировки, попробуйте удалить из рассматриваемой здесь программы тело метода SumIt(). В итоге метод SumIt() перестанет быть синхронизированным, а следовательно, он может параллельно использоваться в любом числе потоков для одного и того же объекта. Поскольку текущая сумма сохраняется в поле sum, она может быть изменена в каждом потоке, вызывающем метод SumIt(). Это означает, что если два потока одновременно вызывают метод SumIt() для одного и того же объекта, то конечный результат получается неверным, поскольку содержимое поля sum отражает смешанный результат суммирования в обоих потоках. В качестве примера ниже приведен результат выполнения рассматриваемой здесь программы после снятия блокировки с метода SumIt().

Потомок #1 начат.
Потомок #2 начат.
Текущая сумма для потока Потомок #1 равна 1
Текущая сумма для потока Потомок #2 равна 1
Текущая сумма для потока Потомок #1 равна 3
Текущая сумма для потока Потомок #2 равна 5
Текущая сумма для потока Потомок #2 равна 11
Текущая сумма для потока Потомок #1 равна 8
Текущая сумма для потока Потомок #1 равна 15
Текущая сумма для потока Потомок #2 равна 19
Текущая сумма для потока Потомок #1 равна 24
Текущая сумма для потока Потомок #2 равна 29
Сумма для потока Потомок #1 равна 29
Потомок #1 завершен.
Сумма для потока Потомок #2 равна 29
Потомок #2 завершен.

Как следует из приведенного выше результата, в обоих порожденных потоках метод SumIt() используется одновременно для одного и того же объекта, а это приводит к искажению значения в поле sum.

Ниже подведены краткие итоги использования блокировки.

•    Если блокировка любого заданного объекта получена в одном потоке, то после блокировки объекта она не может быть получена в другом потоке.

•    Остальным потокам, пытающимся получить блокировку того же самого объекта, придется ждать до тех пор, пока объект не окажется в разблокированном состоянии.

•    Когда поток выходит из заблокированного фрагмента кода, соответствующий объект разблокируется.

Несмотря на всю простоту и эффективность блокировки кода метода, как показано в приведенном выше примере, такое средство синхронизации оказывается пригодным далеко не всегда. Допустим, что требуется синхронизировать доступ к методу класса, который был создан кем-то другим и сам не синхронизирован. Подобная ситуация вполне возможна при использовании чужого класса, исходный код которого недоступен. В этом случае оператор lock нельзя ввести в соответствующий метод чужого класса. Как же тогда синхронизировать объект такого класса? К счастью, этот вопрос разрешается довольно просто: доступ к объекту может быть заблокирован из внешнего кода по отношению к данному объекту, для чего достаточно указать этот объект в операторе lock. В качестве примера ниже приведен другой вариант реализации предыдущей программы. Обратите внимание на то, что код в методе SumIt() уже не является заблокированным, а объект lockOn больше не объявляется. Вместо этого вызовы метода SumIt() блокируются в классе MyThread.

// Другой способ блокировки для синхронизации доступа к объекту,
using System;
using System.Threading;
class SumArray {
  int sum;
  public int SumIt(int[] nums) {
    sum =0; // установить исходное значение суммы
    for(int i=0; i < nums.Length; i++) {
      sum += nums[i];
      Console.WriteLine("Текущая сумма для потока " +
            Thread.CurrentThread.Name + " равна " + sum);
      Thread.Sleep(10); // разрешить переключение задач
    }
    return sum;
  }
}
class MyThread {
  public Thread Thrd;
  int[] a;
  int answer;
  /* Создать один объект типа SumArray для всех экземпляров класса MyThread. */
  static SumArray sa = new SumArray();
  // Сконструировать новый поток,
  public MyThread(string name, int[] nums) {
    a = nums;
    Thrd = new Thread(this.Run);
    Thrd.Name = name;
    Thrd.Start(); // начать поток
  }
  // Начать выполнение нового потока,
  void Run() {
    Console.WriteLine(Thrd.Name + " начат.");
    // Заблокировать вызовы метода SumIt().
    lock(sa) answer = sa.SumIt(a);
    Console.WriteLine("Сумма для потока " + Thrd.Name +
            " равна " + answer);
    Console.WriteLine(Thrd.Name + " завершен.");
  }
}
class Sync {
  static void Main() {
    int[] a = {1, 2, 3, 4, 5};
    MyThread mt1 = new MyThread("Потомок #1", a);
    MyThread mt2 = new MyThread("Потомок #2", a);
    mt1.Thrd.Join();
    mt2.Thrd.Join();
  }
}

В данной программе блокируется вызов метода sa.Sum It(), а не сам метод SumIt(). Ниже приведена соответствующая строка кода, в которой осуществляется подобная блокировка.

// Заблокировать вызовы метода SumIt().
lock(sa) answer = sa.SumIt(a);

Объект sa является закрытым, и поэтому он может быть благополучно заблокирован. При таком подходе к синхронизации потоков данная программа дает такой же правильный результат, как и при первоначальном подходе.

Ключевое слово lock на самом деле служит в C# быстрым способом доступа к средствам синхронизации, определенным в классе Monitor, который находится в пространстве имен System.Threading. В этом классе определен, в частности, ряд методов для управления синхронизацией. Например, для получения блокировки объекта вызывается метод Enter(), а для снятия блокировки — метод Exit(). Ниже приведены общие формы этих методов:

public static void Enter(object obj)
public static void Exit (object obj)

где obj обозначает синхронизируемый объект. Если же объект недоступен, то после вызова метода Enter() вызывающий поток ожидает до тех пор, пока объект не станет доступным. Тем не менее методы Enter() и Exit() применяются редко, поскольку оператор lock автоматически предоставляет эквивалентные средства синхронизации потоков. Именно поэтому оператор lock оказывается "более предпочтительным" для получения блокировки объекта при программировании на С#.

Впрочем, один метод из класса Monitor может все же оказаться полезным. Это метод TryEnter(), одна из общих форм которого приведена ниже.

public static bool TryEnter(object obj)

Этот метод возвращает логическое значение true, если вызывающий поток получает блокировку для объекта obj, а иначе он возвращает логическое значение false. Но в любом случае вызывающему потоку придется ждать своей очереди. С помощью метода TryEnter() можно реализовать альтернативный вариант синхронизации потоков, если требуемый объект временно недоступен.

Кроме того, в классе Monitor определены методы Wait(), Pulse() и PulseAll(), которые рассматриваются в следующем разделе.

Оглавление книги