C#中的多线程小试牛刀

2020-01-24 00:05:09

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来源：转载

供稿：网友

前言

昨天在上班时浏览博问，发现了一个问题，虽然自己在 C# 多线程上没有怎么尝试过，看了几遍 CLR 中关于线程的概念和讲解（后面三章）。也想拿来实践实践。问题定义是这样的：

对于多线程不是很懂，面试的时候遇到一个多线程的题，不会做，分享出来，懂的大佬指点一下，谢谢
建一个winform窗体，在窗体中放上一个开始按钮，一个停止按钮，一个文本框，在窗体中声明一个List类型的属性，点击开始按钮后开启10个线程，所有线程同时不间断的给List集合中添加1-10000之间的随机数，要求添加List集合中的数字不能重复，并且实时在文本框中显示集合的长度，当集合List的长度等于1000时自动停止所有线程，如果中途点击停止按钮也停止所有线程，点击开始又继续执行。

我其实没有完全实现了这位博问中提问的同学的需求，具体问题的来源可查看该地址问题来源

开始尝试

刚拿到这个需求的时候，映入我脑海里的是 Task, Threadpool，Concurrent，和 Lock 等概念，接下来就是组装和编码的过程了，首先理一理头绪，

生成随机数
插入到 List 中，且不能重复
开启多个线程同时插入。

首先是生成随机数，使用 System.Random 类来生成伪随机数（这个其实性能和效率贼低，后面再叙述）

private int GenerateInt32Num(){ var num = random.Next(0, TOTAL_NUM); return num;}

然后是插入到 List<Int32> 中的代码，判断是否已经达到了我们需要的 List 长度，如果已满足，则退出程序。

private void AddToList(int num){ if (numList.Count == ENDNUM) { return; } numList.Add(num);}

如果是个单线程的，按照上面那样 while(true) 然后一直插入即可，可这个是个多线程，那么需要如何处理呢？

我思考了一下，想到了之前在 CLR 中学到的可以用 CancellationTokenSource 中的 Cancel 来通知 Task 来取消操作。所以现在的逻辑是，用线程池来实现多线程。然后传入 CancellationTokenSource.Token 来取消任务。

最后用 Task.WhanAny() 来获取到第一个到达此 Task 的 ID。

首先是建立 Task[] 的数组

internal void DoTheCompeteSecond(){ Task[] tasks = new Task[10]; for (int i = 0; i < 10; ++i) { int num = i; tasks[i] = Task.Factory.StartNew(() => AddNumToList(num, cts), cts.Token); } Task.WaitAny(tasks);}

然后 AddNumToList 方法是这样定义的，

private void AddNumToList(object state, CancellationTokenSource cts){- Console.WriteLine("This is the {0} thread,Current ThreadId={1}",   state,   Thread.CurrentThread.ManagedThreadId); while (!cts.Token.IsCancellationRequested) { if (GetTheListCount() == ENDNUM) {  cts.Cancel();  Console.WriteLine("Current Thread Id={0},Current Count={1}",    Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,    GetTheListCount());  break; } var insertNum = GenerateInt32Num(); if (numList.Contains(insertNum)) {  insertNum = GenerateInt32Num(); } AddToList(insertNum); }}

看起来是没有什么问题的，运行了一下。得到了如下结果，

这应该是昨晚运行时得到的数据，当时也没有多想，就贴了上去，回答了那位提问同学的问题。但是心里有一个疑惑，为什么会同时由两个 Thread 同时达到了该目标呢？

发现问题

今天早上到公司时，我又打开了这个代码，发现确实有点不对劲，于是就和我边上做 Go 语言开发的同学，问了问他，哪里出现了问题，他和我说：“你加了读写锁了吗?” 你这里有数据脏读写。心里面有了点眉目。

按照他说的，修改了一下AddToList 里面的逻辑，这时候，确实解决了上面的问题，

private void AddToList(int num){ rwls.EnterReadLock(); if (numList.Count == ENDNUM) return; rwls.ExitReadLock(); rwls.EnterWriteLock(); numList.Add(num); rwls.ExitWriteLock();}

得到的结果如下：

完整的代码如下所示：

using System;using System.Collections.Generic;using System.ComponentModel;using System.Diagnostics;using System.Threading;using System.Threading.Tasks;namespace CSharpFundamental{ class MultipleThreadCompete { List<int> numList = new List<int>(); Random random = new Random(); CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource(); private const int ENDNUM = 1000000; ReaderWriterLockSlim rwls = new ReaderWriterLockSlim(); internal void DoTheCompeteSecond() {  Stopwatch sw = new Stopwatch();  sw.Start();  Task[] tasks = new Task[100];  for (int i = 0; i < 100; ++i)  {  int num = i;  tasks[i] = Task.Run(() => AddNumToList(num, cts), cts.Token);  }  Task.WaitAny(tasks);  Console.WriteLine("ExecuteTime={0}", sw.ElapsedMilliseconds / 1000); } private int GetTheListCount() {  return numList.Count; } private void AddToList(int num) {  rwls.EnterReadLock();  if (numList.Count == ENDNUM)  return;  rwls.ExitReadLock();  rwls.EnterWriteLock();  numList.Add(num);  rwls.ExitWriteLock(); } private void AddNumToList(object state, CancellationTokenSource cts) {  Console.WriteLine("This is the {0} thread,Current ThreadId={1}",  state,  Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);  while (!cts.Token.IsCancellationRequested)  {  try  {   rwls.EnterReadLock();   if (numList.Count == ENDNUM)   {   cts.Cancel();   Console.WriteLine("Current Thread Id={0},Current Count={1}",    Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,    GetTheListCount());   break;   }  }  finally  {   rwls.ExitReadLock();  }  var insertNum = GenerateInt32Num();  if (numList.Contains(insertNum))  {   insertNum = GenerateInt32Num();  }  AddToList(insertNum);  } } private int GenerateInt32Num() {  return random.Next(1, ENDNUM); } }}

这时候，那位 Go 语言的同学和我说，我们试试 1000w 的数据插入，看看需要多少时间？于是我让他用 Go 语言实现了一下上面的逻辑，1000w数据用了三分钟，我让他看看总共生成了多少随机数，他查看了一下生成了 1亿4千多万的数据。

最开始我用上面的代码来测，发现我插入 1000w 的数据，CPU 到100% 而且花了挺长时间，程序根本没反应，查看了一下我判断重复的语句numList.Contains()

底层实现的代码为:

[__DynamicallyInvokable] public bool Contains(T item) {  if ((object) item == null)  {   for (int index = 0; index < this._size; ++index)   {    if ((object) this._items[index] == null)     return true;   }   return false;  }  EqualityComparer<T> equalityComparer = EqualityComparer<T>.Default;  for (int index = 0; index < this._size; ++index)  {   if (equalityComparer.Equals(this._items[index], item))    return true;  }  return false; }

可想而知，如果数据量很大的话，这个循环不就及其缓慢吗？

我于是请教了那位 GO 的同学，判断重复的逻辑用什么来实现的，他和我说了一个位图 bitmap 的概念，

我用其重写了一下判断重复的逻辑，代码如下：

int[] bitmap = new int[MAX_SIZE]；var index = num % TOTAL_NUM;bitMap[index] = 1;return bitMap[num] == 1;

在添加到 List 的时候，顺便插入到 bitmap 中，判断重复只需要根据当前元素的位置是否等于 1 即可，

我修改代码后，跑了一下 1000w 的数据用来 3000+ ms。

这时候，引起了他的极度怀疑，一向以高性能并发著称的 Go 速度竟然这么慢吗？他一度怀疑我的逻辑有问题。

下午结束了一个阶段的工作后，我又拾起了我上午写的代码，果不其然，发现了逻辑错误：

如下：

var insertNum = GenerateInt32Num();if (numList.Contains(insertNum)){ insertNum = GenerateInt32Num();}

生成随机数这里，这里有个大问题，就是其实只判断了一次，导致速度那么快，正确的写法应该是

while (ContainsNum(currentNum)){ currentNum = GenerateInt32Num();}private int GenerateInt32Num(){ var num = random.Next(0, TOTAL_NUM); //Console.WriteLine(num); return num;}

最后的代码如下：

using System;using System.Collections.Generic;using System.Diagnostics;using System.Threading;using System.Threading.Tasks;namespace CSharpFundamental{ class MultipleThreadCompete {  List<int> numList = new List<int>();  Random random = new Random();  CancellationTokenSource cts = new CancellationTokenSource();  private const int TOTAL_NUM = 1000000;  private const int CURRENT_THREAD_COUNT = 35;  ReaderWriterLockSlim rwls = new ReaderWriterLockSlim();  int[] bitMap = new int[TOTAL_NUM];  internal void DoTheCompete()  {   //ThreadPool.SetMinThreads(CURRENT_THREAD_COUNT, CURRENT_THREAD_COUNT);   Stopwatch sw = new Stopwatch();   sw.Start();   Task[] tasks = new Task[CURRENT_THREAD_COUNT];   for (int i = 0; i < CURRENT_THREAD_COUNT; ++i)   {    int num = i;    tasks[i] = Task.Run(() => ExecuteTheTask(num, cts), cts.Token);   }   Task.WaitAny(tasks);   Console.WriteLine("ExecuteTime={0}", sw.ElapsedMilliseconds);  }  private int GetTheListCount()  {   return numList.Count;  }  private void AddToList(int num)  {   if (numList.Count == TOTAL_NUM)    return;   numList.Add(num);   var index = num % TOTAL_NUM;   bitMap[index] = 1;  }  private void ExecuteTheTask(object state, CancellationTokenSource cts)  {   Console.WriteLine("This is the {0} thread,Current ThreadId={1}",    state,    Thread.CurrentThread.ManagedThreadId);   while (!cts.Token.IsCancellationRequested)   {    try    {     rwls.EnterReadLock();     if (numList.Count == TOTAL_NUM)     {      cts.Cancel();      Console.WriteLine("Current Thread Id={0},Current Count={1}",       Thread.CurrentThread.ManagedThreadId,       GetTheListCount());      break;     }    }    finally    {     rwls.ExitReadLock();    }    var currentNum = GenerateInt32Num();    while (ContainsNum(currentNum))    {     currentNum = GenerateInt32Num();    }    rwls.EnterWriteLock();    AddToList(currentNum);    rwls.ExitWriteLock();   }  }  private int GenerateInt32Num()  {   var num = random.Next(0, TOTAL_NUM);   //Console.WriteLine(num);   return num;  }  private bool ContainsNum(int num)  {   rwls.EnterReadLock();   var contains = bitMap[num] == 1;   rwls.ExitReadLock();   return contains;  } }}

结果如下：