программирование. Руководство su P# a n Reference в herbert schildt полное руководство с 0 герберт шилдт
 Скачать 3.32 Mb.
|
|
среды. Более совершенное решение заключается в том, чтобы временно освободить объект и тем самым дать возможность выполняться другим потокам. Такой подход основывается на некоторой форме сообщения между потоками, благодаря которому один поток может уведомлять другой о том, что он заблокирован и что другой поток может возобновить свое выполнение. Сообщение между потоками организуется в C# с помощью методов Wait (), Pulse ( ) и PulseAll (). Методы Wait (), Pulse () и PulseAll () определены в классе Monitor и могут вызываться только из заблокированного фрагмента блока. Они применяются следующим образом. Когда выполнение потока временно заблокировано, он вызывает метод Wait (). В итоге поток переходит в состояние ожидания, а блокировка с соответствующего объекта снимается, что дает возможность использовать этот объект в другом потоке. В дальнейшем ожидающий поток активизируется, когда другой поток войдет в аналогичное состояние блокировки, и вызывает метод Pulse () или PulseAll (). При вызове метода Pulse () возобновляется выполнение первого потока, ожидающего своей очереди на получение блокировки. А вызов метода PulseAll () сигнализирует о снятии блокировки всем ожидающим потокам. Ниже приведены две наиболее часто используемые формы метода Wait (). public static bool Wait(object obj) public static bool Wait(object obj, int миллисекунд_простоя) В первой форме ожидание длится вплоть до уведомления об освобождении объекта, а во второй форме – как до уведомления об освобождении объекта, так и до истечения периода времени, на который указывает количество миллисекунд_простоя. В обеих формах obj обозначает объект, освобождение которого ожидается. Ниже приведены общие формы методов Pulse () и PulseAll (): public static void Pulse(object obj) public static void PulseAll(object obj) где obj обозначает освобождаемый объект. Если методы Wait(),Pulse() nPulseAll() вызываются из кода, находящегося за пределами синхронизированного кода, например из блока lock, то генерируется исключение SynchronizationLockException. Пример использования методов Wait () и Pulse () Для того чтобы стало понятнее назначение методов Wait () и Pulse (), рассмотрим пример программы, имитирующей тиканье часов и отображающей этот процесс на экране словами "тик" и "так". Для этой цели в программе создается класс TickTock, содержащий два следующих метода: Tick () иТоск(). Метод Tick () выводит на экран слово "тик", а метод Тоск ( ) – слово "так". Для запуска часов далее в программе создаются два потока: один из них вызывает метод Tick (), а другой – метод Тоск (). Преследуемая в данном случае цель состоит в том, чтобы оба потока выполнялись, поочередно выводя на экран слова "тик" и "так", из которых образуется повторяющийся ряд "тик‑так", имитирующий ход часов/ using System; using System.Threading; class TickTock { object lockOn = new object (); public void Tick(bool running) { lock(lockOn) { if(!running) { // остановить часы ‘Monitor.Pulse(lockOn); // уведомить любые ожидающие потоки return; } Console.Write("тик "); Monitor.Pulse(lockOn); // разрешить выполнение метода Tock() Monitor.Wait(lockOn); // ожидать завершения метода Tock() } } public void Tock(bool running) { lock(lockOn) { if(!running) { // остановить часы Monitor.Pulse(lockOn); // уведомить любые ожидающие потоки return; } Console.WriteLine("так"); Monitor.Pulse(lockOn); // разрешить выполнение метода Tick() Monitor.Wait(lockOn); // ожидать завершения метода Tick() } } } class MyThread { public Thread Thrd; TickTock ttOb; // Сконструировать новый поток. public MyThread(string name, TickTock tt) { Thrd = new Thread(this.Run); ttOb = tt; Thrd.Name = name; Thrd.Start(); ' } // Начать выполнение нового потока, void Run() { if(Thrd.Name == "Tick") { for(int i=0; i<5; i++) ttOb.Tick(true); ttOb.Tick(false) ; } else { for(int i=0; i<5; i++) ttOb.Tock(true); ttOb.Tock(false); class TickingClock { static void Main() { TickTock tt = new TickTock (); MyThread mtl = new MyThread("Tick", tt); MyThread mt2 = new MyThread("Tock", tt) ; mtl.Thrd.Join(); mt2.Thrd.Join(); Console.WriteLine("Часы остановлены"); } } Ниже приведен результат выполнения этой программы. тик так тик так тик так тик так тик так Часы остановлены Рассмотрим эту программу более подробно. В методе Main () создается объект tt типа TickTock, который используется для запуска двух потоков на выполнение. Если в методе Run () из класса MyThread обнаруживается имя потока Tick, соответствующее ходу часов "тик", то вызывается метод Tick (). А если это имя потока Tock, соответствующее ходу часов "так", то вызывается метод Tock (). Каждый из этих методов вызывается пять раз подряд с передачей логического значения true в качестве аргумента. Часы идут до тех пор, пока этим методам передается логическое значение true, и останавливаются, как только передается логическое значение false. Самая важная часть рассматриваемой здесь программы находится в методах Tick () и Tock (). Начнем с метода Tick (), код которого для удобства приводится ниже. public void Tick(bool running) { lock(lockOn) { if(!running) { // остановить часы Monitor.Pulse(lockOn); // уведомить любые ожидающие потоки return; } Console.Write("тик "); Monitor.Pulse(lockOn); // разрешить выполнение метода Tock() Monitor.Wait(lockOn); // ожидать завершения метода Tock() } } Прежде всего обратите внимание на код метода Tick () в блоке lock. Напомним, что методы Wait () и Pulse () могут использоваться только в синхронизированных блоках кода. В начале метода Tick () проверяется значение текущего параметра, которое служит явным признаком остановки часов. Если это логическое значение false, то часы остановлены. В этом случае вызывается метод Pulse (), разрешающий выполнение любого потока, ожидающего своей очереди. Мы еще вернемся к этому моменту в дальнейшем. Если же часы идут при выполнении метода Tick (), то на экран выводится слово "тик" с пробелом, затем вызывается метод Pulse (), а после него – метод Wait (). При вызове метода Pulse () разрешается выполнение потока для того же самого объекта, а при вызове метода Wait () выполнение метода Tick () приостанавливается до тех пор, пока метод Pulse () не будет вызван из другого потока. Таким образом, когда вызывается метод Tick (), отображается одно слово "тик" с пробелом, разрешается выполнение другого потока, а затем выполнение данного метода приостанавливается. Метод То с к () является точной копией метода Tick (), за исключением того, что он выводит на экран слово "так". Таким образом, при входе в метод То с к () на экран выводится слово "так", вызывается метод Pulse (), а затем выполнение метода Тоск () приостанавливается. Методы Tick () иТоск() можно рассматривать как поочередно сменяющие друг друга, т.е. они взаимно синхронизированы. Когда часы остановлены, метод Pulse () вызывается для того, чтобы обеспечить успешный вызов метода Wait (). Напомним, что метод Wait () вызывается в обоих методах, Tick () и Тоск (), после вывода соответствующего слова на экран. Но дело в том, что когда часы остановлены, один из этих методов все еще находится в состоянии ожидания. Поэтому завершающий вызов метода Pulse () требуется, чтобы выполнить ожидающий метод до конца. В качестве эксперимента попробуйте удалить этот вызов метода Pulse () и понаблюдайте за тем, что при этом произойдет. Вы сразу же обнаружите, что программа "зависает", и для выхода из нее придется нажать комбинацию клавиш Прежде чем переходить к чтению следующего раздела, убедитесь сами, если, конечно, сомневаетесь, в том, что следует обязательно вызывать методы Wait ( ) и Pulse (), чтобы имитируемые часы шли правильно. Для этого подставьте приведенный ниже вариант класса TickTock в рассматриваемую здесь программу. В этом варианте все вызовы методов Wait () и Pulse () исключены. // Нерабочий вариант класса TickTock. class TickTock { object lockOn = new object (); public void Tick(bool running) { lock(lockOn) { if (!running) { // остановить часы return; } Console.Write("тик ") ; } } public void Tock (bool running) { lock(lockOn) { if(!running) { // остановить часы return; } После этой подстановки результат выполнения данной программы будет выглядеть следующим образом. тик тик тик тик тик так так так так так Часы остановлены Очевидно, что методы Tick ( ) и Tock ( ) больше не синхронизированы! Взаимоблокировка и состояние гонки При разработке многопоточных программ следует быть особенно внимательным, чтобы избежать взаимоблокировки и состояний гонок. Взаимоблокировка, как подразумевает само название, – это ситуация, в которой один поток ожидает определенных действий от другого потока, а другой поток, в свою очередь, ожидает чего‑то от первого потока. В итоге оба потока приостанавливаются, ожидая друг друга, и ни один из них не выполняется. Эта ситуация напоминает двух слишком вежливых людей, каждый из которых настаивает на том, чтобы другой прошел в дверь первым! На первый взгляд избежать взаимоблокировки нетрудно, но на самом деле не все так просто, ведь взаимоблокировка может возникать окольными путями. В качестве примера рассмотрим класс TickTock из предыдущей программы. Как пояснялось выше, в отсутствие завершающего вызова метода Pulse () из метода Tick () или Tock () тот или другой будет ожидать до бесконечности, что приведет к "зависанию" программы вследствие взаимоблокировки. Зачастую причину взаимоблокировки не так‑то просто выяснить, анализируя исходный код программы, поскольку параллельно действующие процессы могут взаимодействовать довольно сложным образом во время выполнения. Для исключения взаимоблокировки требуется внимательное программирование и тщательное тестирование. В целом, если многопоточная программа периодически "зависает", то наиболее вероятной причиной этого является взаимоблокировка. Состояние гонки возникает в том случае, когда два потока или больше пытаются одновременно получить доступ к общему ресурсу без должной синхронизации. Так, в одном потоке может сохраняться значение в переменной, а в другом – инкрементироваться текущее значение этой же переменной. В отсутствие синхронизации конечный результат будет зависеть от того, в каком именно порядке выполняются потоки: инкрементируется ли значение переменной во втором потоке или же оно сохраняется в первом. О подобной ситуации говорят, что потоки "гоняются друг за другом", причем конечный результат зависит от того, какой из потоков завершится первым. Возникающее состояние гонок, как и взаимоблокировку, непросто обнаружить. Поэтому его лучше предотвратить, синхронизируя должным образом доступ к общим ресурсам при программировании. Применение атрибута MethodlmplAttribute Метод может быть полностью синхронизирован с помощью атрибута MethodlmplAttribute. Такой подход может стать альтернативой оператору lock в тех случаях, когда метод требуется заблокировать полностью. Атрибут MethodlmplAttгibute определен в пространстве имен System . Runtime . CompilerServices. Ниже приведен конструктор, применяемый для подобной синхронизации: public MethodlmplAttribute(MethodlmplOptions methodlmplOptions) где methodlmplOptions обозначает атрибут реализации. Для синхронизации метода достаточно указать атрибут MethodlmplOptions. Synchronized. Этот атрибут вызывает блокировку всего метода для текущего экземпляра объекта, доступного по ссылке this. Если же метод относится к типу static, то блокируется его тип. Поэтому данный атрибут непригоден для применения в открытых объектах или классах. Ниже приведена еще одна версия программы, имитирующей тиканье часов, с переделанным вариантом класса TickTock, в котором атрибут MethodlmplOptions обеспечивает должную синхронизацию. // Использовать атрибут MethodlmplAttribute для синхронизации метода. using System; using System.Threading; using System.Runtime.CompilerServices; // Вариант класса TickTock, переделанный с целью // использовать атрибут MethodlmplOptions.Synchronized, class TickTock { /* Следующий атрибут полностью синхронизирует метод Tick(). */ [MethodlmplAttribute(MethodlmplOptions.Synchronized)] public void Tick (bool running) { if(!running) { // остановить часы Monitor.Pulse(this); // уведомить любые ожидающие потоки return; } Console.Write("тик "); Monitor.Pulse(this); // разрешить выполнение метода Tock() Monitor.Wait(this); // ожидать завершения метода Tock() } /* Следующий атрибут полностью синхронизирует метод Тоск(). */ [MethodlmplAttribute(MethodlmplOptions.Synchronized)] public void Tock(bool running) { if (!running) { // остановить часы Monitor.Pulse(this); // уведомить любые ожидающие потоки return; }' Console.WriteLine("так"); Monitor.Pulse(this); // разрешить выполнение метода Tick() Monitor.Wait(this); // ожидать завершения метода Tick() } } class MyThread { public Thread Thrd; TickTock ttOb; // Сконструировать новый поток. public MyThread(string name, TickTock tt) { Thrd = new Thread(this.Run); ttOb = tt; Thrd.Name = name; Thrd.Start(); } // Начать выполнение нового потока, void Run() { if(Thrd.Name == "Tick") { for(int i=0; i<5; i++) ttOb.Tick(true); ttOb.Tick(false); } else { for(int i=0; i<5; i++) ttOb.Tock(true); ttOb.Tock(false); } } } class TickingClock { static void Main() { TickTock tt = new TickTock(); MyThread mtl = new MyThread("Tick", tt) ; MyThread mt2 = new MyThread("Tock", tt) ; mtl.Thrd.Join(); mt2.Thrd.Join(); Console.WriteLine("Часы остановлены"); } } Эта версия программы дает такой же результат, как и предыдущая. Синхронизируемый метод не определен в открытом классе и не вызывается для открытого объекта, поэтому применение оператора lock или атрибута MethodlmplAttribute зависит от личных предпочтений. Ведь и тот и другой дает один и тот же результат. Но поскольку ключевое слово lock относится непосредственно к языку С#, то в примерах, приведенных в этой книге, предпочтение отдано именно ему. ПРИМЕЧАНИЕ Не применяйте атрибут MethodlmplAttribute в открытых классах или экземплярах открытых объектов. Вместо этого пользуйтесь оператором lock, чтобы заблокировать метод для закрытого объекта, как пояснялось ранее. Применение мьютекса и семафора В большинстве случаев, когда требуется синхронизация, оказывается достаточно и оператора lock. Тем не менее в некоторых случаях, как, например, при ограничении доступа к общим ресурсам, более удобными оказываются механизмы синхронизации, встроенные в среду .NET Framework. Ниже рассматриваются по порядку два таких механизма: мьютекс и семафор. Мьютекс Мьютекс представляет собой взаимно исключающий синхронизирующий объект. Это означает, что он может быть получен потоком только по очереди. Мьютекс предназначен для тех ситуаций, в которых общий ресурс может быть одновременно использован только в одном потоке. Допустим, что системный журнал совместно используется в нескольких процессах, но только в одном из них данные могут записываться в файл этого журнала в любой момент времени. Для синхронизации процессов в данной ситуации идеально подходит мьютекс. |