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《Effective C#》系列之（六）——提高多线程的性能

发布时间 2023-04-28 12:47:20作者: GroundSoft

一、综述
《Effective C#》中提高多线程性能的方法主要有以下几点：

  1. 避免锁竞争：锁的使用会导致线程阻塞，从而影响程序的性能。为了避免锁竞争，可以采用无锁编程技术，如CAS（Compare-And-Swap），Interlocked 等。

  2. 使用 Thread Pool：Thread Pool 是 .NET Framework 提供的一个线程池，它可以管理线程的创建与销毁，并且可以重复利用线程，从而提高程序的性能。建议使用 ThreadPool 来代替手动创建和销毁线程。

  3. 使用 Task Parallel Library（TPL）：TPL 是 .NET Framework 提供的一种并行计算库，它可以自动管理线程的创建和销毁，并且可以智能地分配任务给线程池中的线程，从而提高程序的性能。

  4. 减少线程切换：线程上下文切换是非常耗费资源的操作，因此应该尽量减少线程切换的次数。可以通过减少线程睡眠时间、避免过度的 I/O 操作等方式来减少线程切换。

  5. 优化内存分配：在多线程程序中，频繁的内存分配和回收会导致垃圾回收器的频繁触发，从而造成性能瓶颈。可以采用对象池、缓存等方式来优化内存分配。

  6. 使用 Concurrent 集合：Concurrent 集合是 .NET Framework 提供的线程安全的集合类，它可以避免锁竞争和死锁等问题，从而提高程序的性能。

  7. 采用异步编程：异步编程可以避免线程阻塞，从而提高程序的性能。可以使用 async/await 关键字或者 Task 类来实现异步编程。

总之，《Effective C#》中提高多线程性能的方法主要是通过避免锁竞争、使用 Thread Pool 和 TPL 等技术来提高程序的效率。
二、提高多线程性能之避免锁竞争

1、避免锁竞争的具体技术要点
《Effective C#》中避免锁竞争的具体技术主要有以下几点：

  1. 无锁编程：无锁编程是一种基于原子操作和 CAS（Compare-And-Swap）等技术实现线程同步的方式，可以避免锁竞争和死锁等问题。下面是一个使用 Interlocked 类实现无锁计数器的示例代码：
public class Counter
{
    private int count;

    public void Increment()
    {
        Interlocked.Increment(ref count);
    }

    public void Decrement()
    {
        Interlocked.Decrement(ref count);
    }
}
  1. ReaderWriterLock：ReaderWriterLock 是一种读写锁，它可以让多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。这样可以有效地避免锁竞争和提高程序的性能。下面是一个使用 ReaderWriterLock 实现线程同步的示例代码：
public class Resource
{
    private readonly ReaderWriterLockSlim rwLock = new ReaderWriterLockSlim();
    private int value;

    public int ReadValue()
    {
        rwLock.EnterReadLock();
        try
        {
            return value;
        }
        finally
        {
            rwLock.ExitReadLock();
        }
    }

    public void WriteValue(int newValue)
    {
        rwLock.EnterWriteLock();
        try
        {
            value = newValue;
        }
        finally
        {
            rwLock.ExitWriteLock();
        }
    }
}
  1. Immutable 对象：Immutable 对象是指不可变的对象，它们的属性值在创建之后不会发生改变。由于 Immutable 对象是线程安全的，可以避免锁竞争和死锁等问题。下面是一个使用 Immutable 对象实现线程同步的示例代码：
public class Person
{
    public string Name { get; }
    public int Age { get; }

    public Person(string name, int age)
    {
        Name = name;
        Age = age;
    }
}

public class ImmutableResource
{
    private readonly Immutable<Person> person;

    public ImmutableResource(Person person)
    {
        this.person = Immutable.Create(person);
    }

    public Person GetPerson()
    {
        return person.Value;
    }

    public ImmutableResource UpdatePerson(Person newPerson)
    {
        return new ImmutableResource(newPerson);
    }
}

总之，《Effective C#》中避免锁竞争的具体技术主要是通过无锁编程、ReaderWriterLock 和 Immutable 对象等方式来实现线程同步，从而提高程序的性能。

附录：多线程基础
多线程编程的技术要点包括线程的创建、同步、互斥、死锁等方面。

  1. 线程的创建
    在C#中，可以通过Thread类来创建一个新线程。例如：
using System;
using System.Threading;

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Thread newThread = new Thread(DoWork);
        newThread.Start();
    }

    static void DoWork()
    {
        Console.WriteLine("New thread started!");
    }
}

在这个例子中，我们创建了一个新的线程并启动了它，该线程会执行DoWork方法。

  1. 线程的同步
    当多个线程同时访问共享资源时，就需要进行线程同步。C#提供了多种同步机制，如锁、信号量、事件等。例如：
using System;
using System.Threading;

class Program
{
    static int count = 0;
    static object lockObj = new object();

    static void Main(string[] args)
    {
        Thread t1 = new Thread(Increment);
        Thread t2 = new Thread(Increment);

        t1.Start();
        t2.Start();

        t1.Join();
        t2.Join();

        Console.WriteLine("Count: " + count);
    }

    static void Increment()
    {
        for (int i = 0; i < 100000; i++)
        {
            lock (lockObj)
            {
                count++;
            }
        }
    }
}

在这个例子中，我们创建了两个线程来并发地增加count变量的值。为了避免竞争条件，我们使用了lock关键字来锁定共享资源，确保每个线程在修改count变量时都能够独占它。

  1. 线程的互斥
    线程互斥是指多个线程之间相互排斥，只有一个线程能够访问共享资源。在C#中，可以使用Mutex类来实现线程互斥。例如：
using System;
using System.Threading;

class Program
{
    static int count = 0;
    static Mutex mutex = new Mutex();

    static void Main(string[] args)
    {
        Thread t1 = new Thread(Increment);
        Thread t2 = new Thread(Increment);

        t1.Start();
        t2.Start();

        t1.Join();
        t2.Join();

        Console.WriteLine("Count: " + count);
    }

    static void Increment()
    {
        for (int i = 0; i < 100000; i++)
        {
            mutex.WaitOne();
            count++;
            mutex.ReleaseMutex();
        }
    }
}

在这个例子中，我们使用Mutex类来实现线程互斥。在Increment方法中，我们首先调用WaitOne方法来请求锁定Mutex对象，然后修改count变量的值，最后调用ReleaseMutex方法来释放锁定。

  1. 线程的死锁
    线程死锁是指两个或多个线程互相等待对方释放锁定的资源，导致程序永远无法继续执行。为了避免线程死锁，需要遵循一些规则：
  • 避免嵌套锁定
  • 避免循环等待
  • 使用超时机制

例如：

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    static object lock1 = new object();
    static object lock2 = new object();

    static void Main(string[] args)
    {
        Thread t1 = new Thread(() =>
        {
            lock (lock1)
            {
                Thread.Sleep(1000);
                lock (lock2)
                {
                    Console.WriteLine("Thread 1");
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() =>
        {
            lock (lock2)
            {
                Thread.Sleep(1000);
                lock (lock1)
                {
                    Console.WriteLine("Thread 2");
                }
            }
        });

        t1.Start();
        t2.Start();

        t1.Join();
        t2.Join();
    }
}

在这个例子中，我们创建了两个线程，每个线程都锁定了两个共享资源。如果这两个线程同时运行，它们就会陷入死锁状态，因为每个线程都在等待对方释放锁定的资源。