分支或多線程編程是編程時(shí)最難最對(duì)的事情之一。這是由于它們的并行性質(zhì)所致，即要求采用與使用單線程的線性編程完全不同的思維模式。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，恰當(dāng)類(lèi)比就是拋接雜耍表演者，必須在空中拋接多個(gè)球，而不要讓它們相互干擾。這是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。然而，通過(guò)正確的工具和思維模式，這項(xiàng)挑戰(zhàn)是能應(yīng)對(duì)的。

本文將深入介紹我為了簡(jiǎn)化多線程編程和避免爭(zhēng)用條件、死鎖等其他問(wèn)題而編寫(xiě)的一些工具?？梢哉f(shuō)，工具鏈以語(yǔ)法糖和神奇委托為依據(jù)。不過(guò)，引用偉大的爵士音樂(lè)家 Miles Davis 的話：“在音樂(lè)中，沒(méi)有聲音比有聲音更重要?！?聲音間斷就產(chǎn)生了奇跡。

從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，不一定是關(guān)乎可以編碼什么，而是關(guān)乎可以選擇不編碼什么，因?yàn)槟阆Ｍㄟ^(guò)間斷代碼行產(chǎn)生一點(diǎn)奇跡。引用 Bill Gates 的一句話：“根據(jù)代碼行數(shù)來(lái)衡量工作質(zhì)量就像通過(guò)重量來(lái)衡量飛機(jī)質(zhì)量一樣?！?因此，我希望能幫助開(kāi)發(fā)人員減少編碼量，而不是教導(dǎo)開(kāi)發(fā)人員如何編寫(xiě)更多代碼。

同步挑戰(zhàn)

在多線程編程方面遇到的第一個(gè)問(wèn)題是，同步對(duì)共享資源的訪問(wèn)權(quán)限。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)線程共享對(duì)某個(gè)對(duì)象的訪問(wèn)權(quán)限且可能同時(shí)嘗試修改此對(duì)象時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。當(dāng) C# 首次發(fā)布時(shí)，lock 語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)了一種基本方法，可確保只有一個(gè)線程能訪問(wèn)指定資源（如數(shù)據(jù)文件），且效果很好。C# 中的 lock 關(guān)鍵字很容易理解，它獨(dú)自顛覆了我們對(duì)這個(gè)問(wèn)題的思考方式。

不過(guò)，簡(jiǎn)單的 lock 存在一個(gè)主要缺陷：它不區(qū)分只讀訪問(wèn)權(quán)限和寫(xiě)入訪問(wèn)權(quán)限。例如，可能要從共享對(duì)象中讀取 10 個(gè)不同的線程，并且通過(guò) System.Threading 命名空間中的 ReaderWriterLockSlim 類(lèi)授權(quán)這些線程同時(shí)訪問(wèn)實(shí)例，而不導(dǎo)致問(wèn)題發(fā)生。與 lock 語(yǔ)句不同，此類(lèi)可便于指定代碼是將內(nèi)容寫(xiě)入對(duì)象，還是只從對(duì)象讀取內(nèi)容。這樣一來(lái)，多個(gè)讀取器可以同時(shí)進(jìn)入，但在其他所有讀寫(xiě)線程均已完成自己的工作前，拒絕任何寫(xiě)入代碼訪問(wèn)。

現(xiàn)在的問(wèn)題是：如果使用 ReaderWriterLock 類(lèi)，語(yǔ)法就會(huì)變得很麻煩，大量的重復(fù)代碼既降低了可讀性，又隨時(shí)間變化增加了維護(hù)復(fù)雜性，并且代碼中通常會(huì)分散有多個(gè) try 和 finally 塊。即使是簡(jiǎn)單的拼寫(xiě)錯(cuò)誤，也可能會(huì)帶來(lái)日后有時(shí)極難發(fā)現(xiàn)的災(zāi)難性影響。

通過(guò)將 ReaderWriterLockSlim 封裝到簡(jiǎn)單的類(lèi)中，這個(gè)問(wèn)題瞬間解決，不僅重復(fù)代碼不再會(huì)出現(xiàn)，而且還降低了小拼寫(xiě)錯(cuò)誤毀一天勞動(dòng)成果的風(fēng)險(xiǎn)。圖 1 中的類(lèi)完全基于 lambda 技巧?？梢哉f(shuō)，這就是對(duì)一些委托應(yīng)用的語(yǔ)法糖（假設(shè)存在幾個(gè)接口）。最重要的是，它在很大程度上有助于實(shí)現(xiàn)避免重復(fù)代碼原則 (DRY)。

1：封裝 ReaderWriterLockSlim

public class Synchronizer<TImpl, TIRead, TIWrite> where TImpl : TIWrite, TIRead {
  ReaderWriterLockSlim _lock = new ReaderWriterLockSlim ();
  TImpl _shared;

  public Synchronizer (TImpl shared) {
    _shared = shared;
  }

  public void Read (Action<TIRead> functor) {
    _lock.EnterReadLock ();
    try {
      functor (_shared);
    } finally {
      _lock.ExitReadLock ();
    }
  }

  public void Write (Action<TIWrite> functor) {
    _lock.EnterWriteLock ();
    try {
      functor (_shared);
    } finally {
      _lock.ExitWriteLock ();
    }
  }
}

1 中只有 27 行代碼，但卻精妙簡(jiǎn)潔地確保對(duì)象跨多個(gè)線程進(jìn)行同步。此類(lèi)假定類(lèi)型中有讀取接口和寫(xiě)入接口。如果由于某種原因而無(wú)法更改需要將訪問(wèn)權(quán)限同步到的基礎(chǔ)類(lèi)實(shí)現(xiàn)，也可以重復(fù)模板類(lèi)本身三次，通過(guò)這種方式使用它?；居梅ㄈ?2 所示。

2：使用 Synchronizer 類(lèi)

interface IReadFromShared {
  string GetValue ();
}

interface IWriteToShared {
  void SetValue (string value);
}

class MySharedClass : IReadFromShared, IWriteToShared {
  string _foo;

  public string GetValue () {
    return _foo;
  }

  public void SetValue (string value) {
    _foo = value;
  }
}

void Foo (Synchronizer<MySharedClass, IReadFromShared, IWriteToShared> sync) {
  sync.Write (x => {
    x.SetValue ("new value");
  });
  sync.Read (x => {
    Console.WriteLine (x.GetValue ());
  })
}

在 2 的代碼中，無(wú)論有多少線程在執(zhí)行 Foo 方法，只要執(zhí)行另一個(gè) Read 或 Write 方法，就不會(huì)調(diào)用 Write 方法。不過(guò)，可以同時(shí)調(diào)用多個(gè) Read 方法，而不必在代碼中分散多個(gè) try/catch/finally 語(yǔ)句，也不必不斷重復(fù)相同的代碼。我在此鄭重聲明，通過(guò)簡(jiǎn)單字符串來(lái)使用它是沒(méi)有意義的，因?yàn)?System.String 不可變。我使用簡(jiǎn)單的字符串對(duì)象來(lái)簡(jiǎn)化示例。

基本思路是，必須將所有可以修改實(shí)例狀態(tài)的方法都添加到 IWriteToShared 接口中。同時(shí)，應(yīng)將所有只從實(shí)例讀取內(nèi)容的方法都添加到 IReadFromShared 接口中。通過(guò)將諸如此類(lèi)的問(wèn)題分散到兩個(gè)不同的接口，并對(duì)基礎(chǔ)類(lèi)型實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)接口，可使用 Synchronizer 類(lèi)來(lái)同步對(duì)實(shí)例的訪問(wèn)權(quán)限。這樣一來(lái)，將訪問(wèn)權(quán)限同步到代碼的做法變得更簡(jiǎn)單，并且基本上可以通過(guò)更具聲明性的方式這樣做。

在多線程編程方面，語(yǔ)法糖可能會(huì)決定成敗。調(diào)試多線程代碼通常極為困難，并且創(chuàng)建同步對(duì)象的單元測(cè)試可能會(huì)是徒勞無(wú)功之舉。

如果需要，可以創(chuàng)建只包含一個(gè)泛型參數(shù)的重載類(lèi)型，不僅繼承自原始 Synchronizer 類(lèi)，還將它的一個(gè)泛型參數(shù)作為類(lèi)型參數(shù)三次傳遞到它的基類(lèi)。這樣一來(lái)，就不需要讀取接口或?qū)懭虢涌诹耍驗(yàn)榭梢灾苯邮褂妙?lèi)型的具體實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，這種方法要求手動(dòng)處理需要使用 Write 或 Read 方法的部分。此外，雖然它的安全性稍差一點(diǎn)，但確實(shí)可便于將無(wú)法更改的類(lèi)包裝到 Synchronizer 實(shí)例中。

用于分支的 lambda 集合

邁出第一步來(lái)使用神奇的 lambda（或在 C# 中稱為“委托”）后，不難想象，可以利用它們完成更多操作。例如，反復(fù)出現(xiàn)的常見(jiàn)多線程主題是，讓多個(gè)線程與其他服務(wù)器聯(lián)系，以提取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)返回給調(diào)用方。

最簡(jiǎn)單的例子就是，應(yīng)用程序從 20 個(gè)網(wǎng)頁(yè)讀取數(shù)據(jù)，并在完成后將 HTML 返回給一個(gè)根據(jù)所有網(wǎng)頁(yè)的內(nèi)容創(chuàng)建某種聚合結(jié)果的線程。除非為每個(gè)檢索方法都創(chuàng)建一個(gè)線程，否則此代碼的運(yùn)行速度比預(yù)期慢得多：99% 的所有執(zhí)行時(shí)間可能會(huì)花在等待 HTTP 請(qǐng)求返回上。

在一個(gè)線程上運(yùn)行此代碼的效率很低，并且線程創(chuàng)建語(yǔ)法非常容易出錯(cuò)。隨著你支持多個(gè)線程及其助理對(duì)象，挑戰(zhàn)變得更嚴(yán)峻，開(kāi)發(fā)人員不得不在編寫(xiě)代碼時(shí)使用重復(fù)代碼。意識(shí)到可以創(chuàng)建委托集合和用于包裝這些委托的類(lèi)后，便能使用一個(gè)方法調(diào)用來(lái)創(chuàng)建所有線程。這樣一來(lái)，創(chuàng)建線程就輕松多了。

3 中的一段代碼創(chuàng)建兩個(gè)并行運(yùn)行的此類(lèi) lambda。請(qǐng)注意，此代碼實(shí)際上來(lái)自我的第一版 Lizzie 腳本語(yǔ)言的單元測(cè)試 (bit.ly/2FfH5y8)。

3：創(chuàng)建 lambda

public void ExecuteParallel_1 () {
  var sync = new Synchronizer<string, string, string> ("initial_");

  var actions = new Actions ();
  actions.Add (() => sync.Assign ((res) => res + "foo"));
  actions.Add (() => sync.Assign ((res) => res + "bar"));

  actions.ExecuteParallel ();

  string result = null;
  sync.Read (delegate (string val) { result = val; });
  Assert.AreEqual (true, "initial_foobar" == result || result == "initial_barfoo");
}

仔細(xì)看看這段代碼便會(huì)發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果并未假定我的兩個(gè) lambda 的執(zhí)行存先后順序。執(zhí)行順序并未明確指定，并且這些 lambda 是在不同的線程上執(zhí)行。這是因?yàn)?，使用圖 3 中的 Actions 類(lèi)，可以向它添加委托，這樣稍后就能決定是要并行執(zhí)行委托，還是按順序執(zhí)行委托。

為此，必須使用首選機(jī)制創(chuàng)建并執(zhí)行許多 lambda。在圖 3 中可以看到前面提到的 Synchronizer 類(lèi)，用于同步對(duì)共享字符串資源的訪問(wèn)權(quán)限。不過(guò)，它對(duì) Synchronizer 使用了新方法 Assign，我并未在圖 1中的列表內(nèi)為 Synchronizer 類(lèi)添加此方法。Assign 方法使用前面 Write 和 Read 方法中使用的相同“l(fā)ambda 技巧”。

若要研究 Actions 類(lèi)的實(shí)現(xiàn)，請(qǐng)務(wù)必下載 Lizzie 版本 0.1，因?yàn)槲以诤竺嫱瞥龅陌姹局型耆貙?xiě)了代碼，使之成為獨(dú)立編程語(yǔ)言。

C# 中的函數(shù)式編程

大多數(shù)開(kāi)發(fā)人員往往認(rèn)為，C# 幾乎與面向?qū)ο蟮木幊?(OOP) 同義或至少密切相關(guān)，事實(shí)顯然如此。不過(guò)，通過(guò)重新思考如何使用 C#，并深入了解它的各方面功能，解決一些問(wèn)題就變得更加簡(jiǎn)單了。目前形式的 OOP 不太易于重用，原因很多是因?yàn)樗菑?qiáng)類(lèi)型。

例如，如果重用一個(gè)類(lèi)，就不得不重用初始類(lèi)引用的每個(gè)類(lèi)（在兩種情況下，類(lèi)都是通過(guò)組合和繼承進(jìn)行使用）。此外，類(lèi)重用還會(huì)強(qiáng)制重用這些第三方類(lèi)引用的所有類(lèi)等。如果這些類(lèi)是在不同的程序集中實(shí)現(xiàn)，必須添加各種各樣的程序集，才能獲得對(duì)一個(gè)類(lèi)型上單個(gè)方法的訪問(wèn)權(quán)限。

我曾經(jīng)看過(guò)一個(gè)可以說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題的類(lèi)比：“雖然想要的是香蕉，但最終得到的是手拿香蕉的大猩猩，以及大猩猩所居住的熱帶雨林。” 將這種情況與使用更動(dòng)態(tài)的語(yǔ)言（如 JavaScript）進(jìn)行重用做比較，后者并不關(guān)心類(lèi)型，只要它實(shí)現(xiàn)函數(shù)本身使用的函數(shù)即可。通過(guò)略微寬松類(lèi)型方法生成的代碼更靈活、更易于重用。委托可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

可使用 C# 來(lái)改善跨多個(gè)項(xiàng)目重用代碼的過(guò)程。只需要理解函數(shù)或委托也可以是對(duì)象，并且可以通過(guò)弱類(lèi)型方式控制這些對(duì)象的集合。

早在 2018 年 11 月發(fā)行的《MSDN 雜志》中，我發(fā)表過(guò)一篇標(biāo)題為“使用符號(hào)委托創(chuàng)建你自己的腳本語(yǔ)言”的文章 (msdn.com/magazine/mt830373)。本文中提到的有關(guān)委托的思路是在這篇文章的基礎(chǔ)之上形成。本文還介紹了 Lizzie，這是我的自制腳本語(yǔ)言，它的存在歸功于這種以委托為中心的思維模式。如果我使用 OOP 規(guī)則創(chuàng)建了 Lizzie，我會(huì)認(rèn)為，它在大小上可能至少大一個(gè)數(shù)量級(jí)。

當(dāng)然，如今 OOP 和強(qiáng)類(lèi)型處于主導(dǎo)地位，想要找到一個(gè)主要必需技能不要求它的職位描述，幾乎是不可能的。我在此鄭重聲明，我創(chuàng)建 OOP 代碼的時(shí)間已超過(guò) 25 年，所以，我與任何人一樣都會(huì)因?yàn)閷?duì)強(qiáng)類(lèi)型有偏見(jiàn)而感到內(nèi)疚。然而，如今我在編碼方法上更加務(wù)實(shí)，對(duì)類(lèi)層次結(jié)構(gòu)的最終外觀失去興趣。

并不是我不欣賞外觀精美的類(lèi)層次結(jié)構(gòu)，而是收益遞減。添加到層次結(jié)構(gòu)中的類(lèi)越多，它就變得越臃腫，直到因不堪重壓而崩潰。有時(shí)，卓越的設(shè)計(jì)只用很少的方法、更少的類(lèi)和大多數(shù)松散耦合的函數(shù)，這樣就可以輕松擴(kuò)展代碼，也就不需要“引入大猩猩和熱帶雨林”了。

回到本文反復(fù)出現(xiàn)的主題（從 Miles Davis 的音樂(lè)方法中獲得靈感）：少即是多（“沒(méi)有聲音比有聲音更重要”）。 代碼也不例外。間斷代碼行往往會(huì)產(chǎn)生奇跡，最佳解決方案的衡量依據(jù)更多是不編碼什么，而不是編碼什么。連傻瓜也可以將喇叭吹響，但只有為數(shù)不多的人才能用喇叭吹奏出音樂(lè)。像 Miles 這樣能創(chuàng)造出奇跡的人就更少了。

原文作者：Thomas Hansen

原文地址：Minimize Complexity in Multithreaded C# Code

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持我們。