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C#中的多线程超时处理实践方案

时间：2020-12-07 16:38:28 | 栏目：.NET代码 | 点击：次

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：

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：

public class OperationHandler
{
 private IOperation _operation;
 
 public OperationHandler(IOperation operation)
 {
 _operation = operation;
 } 
 public void StartWithTimeout(int timeoutMillis)
 {
 //在超时后需要调用 "_operation.DoOperation()" 
 } 
 public void StopOperationIfNotStartedYet()
 {
 //在超时期间需要停止"DoOperation" 
 }
}

我的操作类：

public class MyOperation : IOperation
{
 public void DoOperation()
 {
 Console.WriteLine("Operation started");
 }
}
public class MyOperation : IOperation
{
 public void DoOperation()
 {
 Console.WriteLine("Operation started");
 }
}

我的测试程序：

static void Main(string[] args)
{
 var op = new MyOperation();
 var handler = new OperationHandler(op);
 Console.WriteLine("Starting with timeout of 5 seconds");
 handler.StartWithTimeout(5 * 1000);
 Thread.Sleep(6 * 1000);
 
 Console.WriteLine("Starting with timeout of 5 but cancelling after 2 seconds");
 handler.StartWithTimeout(5 * 1000);
 Thread.Sleep(2 * 1000);
 handler.StopOperationIfNotStartedYet();
 
 Thread.Sleep(4 * 1000);
 Console.WriteLine("Finished...");
 Console.ReadLine();
}

结果应该是：

Starting with timeout of 5 seconds
Operation started
Starting with timeout of 5 but cancelling after 2 seconds
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。

public class OperationHandler
{
 private IOperation _operation;
 private bool _stopCalled;

 public OperationHandler(IOperation operation)
 {
 _operation = operation;
 }
 public void StartWithTimeout(int timeoutMillis)
 {
 Task.Factory.StartNew(() =>
 {
  _stopCalled = false;
  Thread.Sleep(timeoutMillis);
  if (!_stopCalled)
  _operation.DoOperation();
 });
 }
 public void StopOperationIfNotStartedYet()
 {
 _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：

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：

public class OperationHandler
{
 private IOperation _operation;
 private Timer _timer;

 public OperationHandler(IOperation operation)
 {
 _operation = operation;
 }
 public void StartWithTimeout(int timeoutMillis)
 {
 if (_timer != null)
  return;

 _timer = new Timer(
  state =>
  {
  _operation.DoOperation();
  DisposeOfTimer();
  }, null, timeoutMillis, timeoutMillis);
 } 
 public void StopOperationIfNotStartedYet()
 {
 DisposeOfTimer();
 }
 private void DisposeOfTimer()
 {
 if (_timer == null)
  return;
 var temp = _timer;
 _timer = null;
 temp.Dispose();
 }
}

执行结果如下：

Starting with timeout of 5 seconds
Operation started
Starting with timeout of 5 but cancelling after 2 seconds
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：

public class OperationHandler
{
 private IOperation _operation;
 private ManualResetEvent _mre = new ManualResetEvent(false);

 public OperationHandler(IOperation operation)
 {
 _operation = operation;
 }
 public void StartWithTimeout(int timeoutMillis)
 {
 _mre.Reset();
 Task.Factory.StartNew(() =>
 {
  bool wasStopped = _mre.WaitOne(timeoutMillis);
  if (!wasStopped)
  _operation.DoOperation();
 });
 } 
 public void StopOperationIfNotStartedYet()
 {
 _mre.Set();
 }
}

执行结果:

Starting with timeout of 5 seconds
Operation started
Starting with timeout of 5 but cancelling after 2 seconds
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：

  1. 在以前的StartWithTimeout超时期间调用StartWithTimeout时：忽略第二次启动。
  2. 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。
  3. 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）。
  4. 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。

public void StartWithTimeout(int timeoutMillis)
{
 if (_timer != null)
 return;
 ...
 
 public void StartWithTimeout(int timeoutMillis)
 {
 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StartWithTimeout 10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：

class Program
{
 static void Main(string[] args)
 {
 var op = new MyOperation();
 var handler = new OperationHandler(op);

 Console.WriteLine("Starting with timeout of 10 seconds, 3 times");
 handler.StartWithTimeout(10 * 1000);
 Thread.Sleep(1000);
 handler.StartWithTimeout(10 * 1000);
 Thread.Sleep(1000);
 handler.StartWithTimeout(10 * 1000);

 Thread.Sleep(13 * 1000);

 Console.WriteLine("Starting with timeout of 10 seconds 3 times, but cancelling after 5 seconds");
 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：

public class OperationHandler
{
 private IOperation _operation;
 private ManualResetEvent _mre = new ManualResetEvent(false);

 public OperationHandler(IOperation operation)
 {
 _operation = operation;
 }
 public void StartWithTimeout(int timeoutMillis)
 {
 Task.Factory.StartNew(() =>
 {
  bool wasStopped = _mre.WaitOne(timeoutMillis);
  if (!wasStopped)
  _operation.DoOperation();
 });
 } 
 public void StopOperationIfNotStartedYet()
 {
 Task.Factory.StartNew(() =>
 {
  _mre.Set();
  Thread.Sleep(10);//This is necessary because if calling Reset() immediately, not all waiting threads will 'proceed'
  _mre.Reset();
 });
 }
}

输出结果跟预想的一样：

Starting with timeout of 10 seconds, 3 times
Operation started
Operation started
Operation started
Starting with timeout of 10 seconds 3 times, but cancelling after 5 seconds
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StartWithTimeout 10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：

public class OperationHandler
{
 private IOperation _operation;
 private AutoResetEvent _are = new AutoResetEvent(false);

 public OperationHandler(IOperation operation)
 {
 _operation = operation;
 }
 public void StartWithTimeout(int timeoutMillis)
 {
 _are.Reset();
 Task.Factory.StartNew(() =>
 {
  bool wasStopped = _are.WaitOne(timeoutMillis);
  if (!wasStopped)
  _operation.DoOperation();
 });
 } 
 public void StopOperationIfNotStartedYet()
 {
 _are.Set();
 }
}

执行结果是：

Starting with timeout of 10 seconds, 3 times
Operation started
Operation started
Operation started
Starting with timeout of 10 seconds 3 times, but cancelling after 5 seconds
Operation started
Operation started
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

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