C#中的多线程超时处理实践方案
最近我正在处理C＃中关于timeout行为的一些bug。解决方案非常有意思，所以我在这里分享给广大博友们。
我要处理的是下面这些情况：
- 我们做了一个应用程序，程序中有这么一个模块，它的功能向用户显示一个消息对话框，15秒后再自动关闭该对话框。但是，如果用户手动关闭对话框，则在timeout时我们无需做任何处理。
- 程序中有一个漫长的执行操作。如果该操作持续5秒钟以上，那么请终止这个操作。
- 我们的的应用程序中有执行时间未知的操作。当执行时间过长时，我们需要显示一个“进行中”弹出窗口来提示用户耐心等待。我们无法预估这次操作会持续多久，但一般情况下会持续不到一秒。为了避免弹出窗口一闪而过，我们只想要在1秒后显示这个弹出窗口。反之，如果在1秒内操作完成，则不需要显示这个弹出窗口。
这些问题是相似的。在超时之后，我们必须执行X操作，除非Y在那个时候发生。
为了找到解决这些问题的办法，我在试验过程中创建了一个类：
publicclassOperationHandler
{
privateIOperation_operation;
publicOperationHandler(IOperationoperation)
{
_operation=operation;
}
publicvoidStartWithTimeout(inttimeoutMillis)
{
//在超时后需要调用"_operation.DoOperation()"
}
publicvoidStopOperationIfNotStartedYet()
{
//在超时期间需要停止"DoOperation"
}
}
我的操作类：
publicclassMyOperation:IOperation
{
publicvoidDoOperation()
{
Console.WriteLine("Operationstarted");
}
}
publicclassMyOperation:IOperation
{
publicvoidDoOperation()
{
Console.WriteLine("Operationstarted");
}
}
我的测试程序：
staticvoidMain(string[]args)
{
varop=newMyOperation();
varhandler=newOperationHandler(op);
Console.WriteLine("Startingwithtimeoutof5seconds");
handler.StartWithTimeout(5*1000);
Thread.Sleep(6*1000);
Console.WriteLine("Startingwithtimeoutof5butcancellingafter2seconds");
handler.StartWithTimeout(5*1000);
Thread.Sleep(2*1000);
handler.StopOperationIfNotStartedYet();
Thread.Sleep(4*1000);
Console.WriteLine("Finished...");
Console.ReadLine();
}
结果应该是：
Startingwithtimeoutof5seconds Operationstarted Startingwithtimeoutof5butcancellingafter2seconds Finished...
现在我们可以开始试验了!
解决方案1：在另一个线程上休眠
我最初的计划是在另一个不同的线程上休眠，同时用一个布尔值来标记Stop是否被调用。
publicclassOperationHandler
{
privateIOperation_operation;
privatebool_stopCalled;
publicOperationHandler(IOperationoperation)
{
_operation=operation;
}
publicvoidStartWithTimeout(inttimeoutMillis)
{
Task.Factory.StartNew(()=>
{
_stopCalled=false;
Thread.Sleep(timeoutMillis);
if(!_stopCalled)
_operation.DoOperation();
});
}
publicvoidStopOperationIfNotStartedYet()
{
_stopCalled=true;
}
}
针对正常的线程执行步骤，这段代码运行过程并没有出现问题，但是总是感觉有些别扭。仔细探究后，我发现其中有一些猫腻。首先，在超时期间，有一个线程从线程池中取出后什么都没做，显然这个线程是被浪费了。其次，如果程序停止执行了，线程会继续休眠直到超时结束，浪费了CPU时间。
但是这些并不是我们这段代码最糟糕的事情，实际上我们的程序实还存在一个明显的bug：
如果我们设置10秒的超时时间，开始操作后，2秒停止，然后在2秒内再次开始。
当第二次启动时，我们的_stopCalled标志将变成false。然后，当我们的第一个Thread.Sleep()完成时，即使我们取消它，它也会调用DoOperation。
之后，第二个Thread.Sleep()完成，并将第二次调用DoOperation。结果导致DoOperation被调用两次，这显然不是我们所期望的。
如果你每分钟有100次这样的超时，我将很难捕捉到这种错误。
当StopOperationIfNotStartedYet被调用时，我们需要某种方式来取消DoOperation的调用。
如果我们尝试使用计时器呢？
解决方案2：使用计时器
.NET中有三种不同类型的记时器，分别是：
- System.Windows.Forms命名空间下的Timer控件，它直接继承自Componet。
- System.Timers命名空间下的Timer类。
- System.Threading.Timer类。
这三种计时器中，System.Threading.Timer足以满足我们的需求。这里是使用Timer的代码：
publicclassOperationHandler
{
privateIOperation_operation;
privateTimer_timer;
publicOperationHandler(IOperationoperation)
{
_operation=operation;
}
publicvoidStartWithTimeout(inttimeoutMillis)
{
if(_timer!=null)
return;
_timer=newTimer(
state=>
{
_operation.DoOperation();
DisposeOfTimer();
},null,timeoutMillis,timeoutMillis);
}
publicvoidStopOperationIfNotStartedYet()
{
DisposeOfTimer();
}
privatevoidDisposeOfTimer()
{
if(_timer==null)
return;
vartemp=_timer;
_timer=null;
temp.Dispose();
}
}
执行结果如下：
Startingwithtimeoutof5seconds Operationstarted Startingwithtimeoutof5butcancellingafter2seconds Finished...
现在当我们停止操作时，定时器被丢弃，这样就避免了再次执行操作。这已经实现了我们最初的想法，当然还有另一种方式来处理这个问题。
解决方案3：ManualResetEvent或AutoResetEvent
ManualResetEvent/AutoResetEvent的字面意思是手动或自动重置事件。AutoResetEvent和ManualResetEvent是帮助您处理多线程通信的类。基本思想是一个线程可以一直等待，知道另一个线程完成某个操作，然后等待的线程可以“释放”并继续运行。
ManualResetEvent类和AutoResetEvent类请参阅MSDN：
ManualResetEvent类：https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/system.threading.manualresetevent.aspx
AutoResetEvent类：https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/system.threading.autoresetevent.aspx
言归正传，在本例中，直到手动重置事件信号出现，mre.WaitOne()会一直等待。mre.Set()将标记重置事件信号。ManualResetEvent将释放当前正在等待的所有线程。AutoResetEvent将只释放一个等待的线程，并立即变为无信号。WaitOne()也可以接受超时作为参数。如果Set()在超时期间未被调用，则线程被释放并且WaitOne()返回False。
以下是此功能的实现代码：
publicclassOperationHandler
{
privateIOperation_operation;
privateManualResetEvent_mre=newManualResetEvent(false);
publicOperationHandler(IOperationoperation)
{
_operation=operation;
}
publicvoidStartWithTimeout(inttimeoutMillis)
{
_mre.Reset();
Task.Factory.StartNew(()=>
{
boolwasStopped=_mre.WaitOne(timeoutMillis);
if(!wasStopped)
_operation.DoOperation();
});
}
publicvoidStopOperationIfNotStartedYet()
{
_mre.Set();
}
}
执行结果:
Startingwithtimeoutof5seconds Operationstarted Startingwithtimeoutof5butcancellingafter2seconds Finished...
我个人非常倾向于这个解决方案，它比我们使用Timer的解决方案更干净简洁。
对于我们提出的简单功能，ManualResetEvent和Timer解决方案都可以正常工作。现在让我们增加点挑战性。
新的改进需求
假设我们现在可以连续多次调用StartWithTimeout()，而不是等待第一个超时完成后调用。
但是这里的预期行为是什么？实际上存在以下几种可能性：
- 在以前的StartWithTimeout超时期间调用StartWithTimeout时：忽略第二次启动。
- 在以前的StartWithTimeout超时期间调用StartWithTimeout时：停止初始话Start并使用新的StartWithTimeout。
- 在以前的StartWithTimeout超时期间调用StartWithTimeout时：在两个启动中调用DoOperation。在StopOperationIfNotStartedYet中停止所有尚未开始的操作（在超时时间内）。
- 在以前的StartWithTimeout超时期间调用StartWithTimeout时：在两个启动中调用DoOperation。在StopOperationIfNotStartedYet停止一个尚未开始的随机操作。
可能性1可以通过Timer和ManualResetEvent可以轻松实现。事实上，我们已经在我们的Timer解决方案中涉及到了这个。
publicvoidStartWithTimeout(inttimeoutMillis)
{
if(_timer!=null)
return;
...
publicvoidStartWithTimeout(inttimeoutMillis)
{
if(_timer!=null)
return;
...
}
可能性2也可以很容易地实现。这个地方请允许我卖个萌，代码自己写哈^_^
可能性3不可能通过使用Timer来实现。我们将需要有一个定时器的集合。一旦停止操作，我们需要检查并处理定时器集合中的所有子项。这种方法是可行的，但通过ManualResetEvent我们可以非常简洁和轻松的实现这一点！
可能性4跟可能性3相似，可以通过定时器的集合来实现。
可能性3：使用单个ManualResetEvent停止所有操作
让我们了解一下这里面遇到的难点：
假设我们调用StartWithTimeout10秒超时。
1秒后，我们再次调用另一个StartWithTimeout，超时时间为10秒。
再过1秒后，我们再次调用另一个StartWithTimeout，超时时间为10秒。
预期的行为是这3个操作会依次10秒、11秒和12秒后启动。
如果5秒后我们会调用Stop()，那么预期的行为就是所有正在等待的操作都会停止,后续的操作也无法进行。
我稍微改变下Program.cs，以便能够测试这个操作过程。这是新的代码：
classProgram
{
staticvoidMain(string[]args)
{
varop=newMyOperation();
varhandler=newOperationHandler(op);
Console.WriteLine("Startingwithtimeoutof10seconds,3times");
handler.StartWithTimeout(10*1000);
Thread.Sleep(1000);
handler.StartWithTimeout(10*1000);
Thread.Sleep(1000);
handler.StartWithTimeout(10*1000);
Thread.Sleep(13*1000);
Console.WriteLine("Startingwithtimeoutof10seconds3times,butcancellingafter5seconds");
handler.StartWithTimeout(10*1000);
Thread.Sleep(1000);
handler.StartWithTimeout(10*1000);
Thread.Sleep(1000);
handler.StartWithTimeout(10*1000);
Thread.Sleep(5*1000);
handler.StopOperationIfNotStartedYet();
Thread.Sleep(8*1000);
Console.WriteLine("Finished...");
Console.ReadLine();
}
}
下面就是使用ManualResetEvent的解决方案：
publicclassOperationHandler
{
privateIOperation_operation;
privateManualResetEvent_mre=newManualResetEvent(false);
publicOperationHandler(IOperationoperation)
{
_operation=operation;
}
publicvoidStartWithTimeout(inttimeoutMillis)
{
Task.Factory.StartNew(()=>
{
boolwasStopped=_mre.WaitOne(timeoutMillis);
if(!wasStopped)
_operation.DoOperation();
});
}
publicvoidStopOperationIfNotStartedYet()
{
Task.Factory.StartNew(()=>
{
_mre.Set();
Thread.Sleep(10);//ThisisnecessarybecauseifcallingReset()immediately,notallwaitingthreadswill'proceed'
_mre.Reset();
});
}
}
输出结果跟预想的一样：
Startingwithtimeoutof10seconds,3times Operationstarted Operationstarted Operationstarted Startingwithtimeoutof10seconds3times,butcancellingafter5seconds Finished...
很开森对不对？
当我检查这段代码时，我发现Thread.Sleep（10）是必不可少的，这显然超出了我的意料。如果没有它，除3个等待中的线程之外，只有1-2个线程正在进行。很明显的是，因为Reset()发生得太快，第三个线程将停留在WaitOne()上。
可能性4：单个AutoResetEvent停止一个随机操作
假设我们调用StartWithTimeout10秒超时。1秒后，我们再次调用另一个StartWithTimeout，超时时间为10秒。再过1秒后，我们再次调用另一个StartWithTimeout，超时时间为10秒。然后我们调用StopOperationIfNotStartedYet()。
目前有3个操作超时，等待启动。预期的行为是其中一个被停止，其他2个操作应该能够正常启动。
我们的Program.cs可以像以前一样保持不变。OperationHandler做了一些调整：
publicclassOperationHandler
{
privateIOperation_operation;
privateAutoResetEvent_are=newAutoResetEvent(false);
publicOperationHandler(IOperationoperation)
{
_operation=operation;
}
publicvoidStartWithTimeout(inttimeoutMillis)
{
_are.Reset();
Task.Factory.StartNew(()=>
{
boolwasStopped=_are.WaitOne(timeoutMillis);
if(!wasStopped)
_operation.DoOperation();
});
}
publicvoidStopOperationIfNotStartedYet()
{
_are.Set();
}
}
执行结果是：
Startingwithtimeoutof10seconds,3times Operationstarted Operationstarted Operationstarted Startingwithtimeoutof10seconds3times,butcancellingafter5seconds Operationstarted Operationstarted Finished...
结语
在处理线程通信时，超时后继续执行某些操作是常见的应用。我们尝试了一些很好的解决方案。一些解决方案可能看起来不错，甚至可以在特定的流程下工作，但是也有可能在代码中隐藏着致命的bug。当这种情况发生时，我们应对时需要特别小心。
AutoResetEvent和ManualResetEvent是非常强大的类，我在处理线程通信时一直使用它们。这两个类非常实用。正在跟线程通信打交道的朋友们，快把它们加入到项目里面吧！
总结
以上所述是小编给大家介绍的C#中的多线程超时处理实践方案，希望对大家有所帮助，如果大家有任何疑问请给我留言，小编会及时回复大家的。在此也非常感谢大家对毛票票网站的支持！