C# 多线程详解 Part.04（Lock、Monitor、生产与消费）

系列1 曾经说过：每个线程都有自己的资源，但代码区是共享的，即每个线程都可以执行相同的函数。

这可能带来的问题就是多个线程同时执行一个函数，并修改同一变量值，这将导致数据的混乱，产生不可预料的结果。看下面的示例：

private void btnThread_Click(object sender, EventArgs e)

    Thread t1 = new Thread(ChangeTextBox);

    t1.Start();

    Thread t2 = new Thread(ChangeTextBox);

    t2.Start();

void ChangeTextBox()

    for (int i = 0; i < 10000; i++)

        int num = int.Parse(txtNum.Text);

        num++;

        txtNum.Text = num.ToString();

结果，计数非但不是20000，相差的还很远。这是因为 CPU 在线程切换的过程中，2 个线程多次发生取出相同值进行运算。这显然不是我们想要达到的目的。

Lock

要解决这一问题也非常简单，只需为这段代码加上 Lock 锁定：

private static object obj = new object();

void ChangeTextBox()

    for (int i = 0; i < 10000; i++)

        lock(obj)

            int num = int.Parse(txtNum.Text);

            num++;

            txtNum.Text = num.ToString();

C# 提供了一个关键字 lock，它可以把一段代码定义为互斥段（critical section），互斥段在一个时刻内只允许一个线程进入执行，而其他线程必须等待。

在C#中，关键字 lock 的定义：lock(expression) statement_block

expression 代表你希望跟踪的对象，通常是对象引用。如果你想保护一个类的实例，你可以使用 this；如果你想保护一个静态变量（如互斥代码段在一个静态方法内部），一般使用类名就可以了。而 statement_block 就是互斥段的代码，这段代码在一个时刻内只可能被一个线程执行。

再看一个 Lock 关键字的示例：

internal class Account

    int balance;

    Random r = new Random();

    internal Account(int initial)

        balance = initial;

    internal void Withdraw(int amount)

        if (balance < 0)

            throw new Exception("Negative Balance");

        lock (this)

            // 下面的代码保证在当前线程修改 balance 的值完成之前

            // 不会有其他线程也执行这段代码来修改 balance 的值

            // 因此，balance 的值是不可能小于 0 的

            Console.WriteLine("Current Thread:" + Thread.CurrentThread.Name

                + " balance:" + balance.ToString() + " amount:" + amount);

            // 如果没有 lock 关键字的保护，那么可能在执行完 if 的条件判断之后

            // 另外一个线程却执行了 balance=balance-amount 修改了 balance 的值

            // 而这个修改对这个线程是不可见的，所以可能导致这时 if 的条件已经不成立了

            // 但是，这个线程却继续执行 balance=balance-amount，所以导致 balance 可能小于 0

            // 去除 lock 块可以看出效果,程序会抛出异常

            if (balance >= amount)

                Thread.Sleep(5);

                balance = balance - amount;

            Console.WriteLine("Current Thread:" + Thread.CurrentThread.Name

                + " balance:" + balance.ToString() + " amount:" + amount);

    internal void DoTransactions()

        for (int i = 0; i < 100; i++)

            Withdraw(r.Next(-50, 100));

internal class Test

    static internal Thread[] threads = new Thread[10];

    public static void Main()

        Account acc = new Account(0);

        for (int i = 0; i < 10; i++)

            Thread t = new Thread(new ThreadStart(acc.DoTransactions));

            threads[i] = t;

            threads[i].Name = i.ToString();

        for (int i = 0; i < 10; i++)

            threads[i].Start();

        Console.ReadLine();

Lock 语法简单易用。其本质是针对 Monitor.Enter() 和 Monitor.Exit() 的封装，是一个语法糖！

Monitor

当多个线程公用一个对象时，也会出现和公用代码类似的问题，这就需要用到 System.Threading 中的 Monitor 类，我们可以称之为监视器，Monitor 提供了使线程共享资源的方案。

Monitor 类可以锁定一个对象，一个线程只有得到这把锁才可以对该对象进行操作。对象锁机制保证了在可能引起混乱的情况下，一个时刻只有一个线程可以访问这个对象。Monitor 必须和一个具体的对象相关联，但是由于它是一个静态的类，所以不能使用它来定义对象，而且它的所有方法都是静态的，不能使用对象来引用。

下面代码说明了使用 Monitor 锁定一个对象的情形：

// 表示对象的先进先出集合

Queue oQueue = new Queue();

try

    // 现在 oQueue 对象只能被当前线程操纵了

    Monitor.Enter(oQueue);

    // do something......

catch

finally

    // 释放锁

    Monitor.Exit(oQueue);

如上所示，当一个线程调用 Monitor.Enter() 方法锁定一个对象时，这个对象就归它所有了，其它线程想要访问这个对象，只有等待它使用 Monitor.Exit() 方法释放锁。为了保证线程最终都能释放锁，你可以把 Monitor.Exit() 方法写在 try-catch-finally 结构中的 finally 代码块里。（Lock 关键字就是这个步骤的语法糖）

任何一个被 Monitor 锁定的对象，内存中都保存着与它相关的一些信息:

现在持有锁的线程的引用
一个预备队列，队列中保存了已经准备好获取锁的线程
一个等待队列，队列中保存着当前正在等待这个对象状态改变的队列的引用

当拥有对象锁的线程准备释放锁时，它使用 Monitor.Pulse() 方法通知等待队列中的第一个线程，于是该线程被转移到预备队列中，当对象锁被释放时，在预备队列中的线程可以立即获得对象锁。

生产与消费

下面是一个展示如何使用 lock 关键字和 Monitor 类来实现线程的同步和通讯的例子，是一个典型的生产者与消费者问题。

在本例中，生产者线程和消费者线程是交替进行的，生产者写入一个数，消费者立即读取并且显示（注释中介绍了该程序的精要所在）。

/// <summary>

/// 被操作的对象

/// </summary>

public class Cell

    /// <summary>

    /// Cell 对象里的内容

    /// </summary>

    int cellContents;

    /// <summary>

    /// 状态标志: 为 true 时可以读取，为 false 则正在写入

    /// </summary>

    bool readerFlag = false;

    public int ReadFromCell()

        lock (this)

            if (!readerFlag)

try

                    // 等待 WriteToCell 方法中调用 Monitor.Pulse()方法

                    Monitor.Wait(this);

                catch (SynchronizationLockException e)

                    Console.WriteLine(e);

                catch (ThreadInterruptedException e)

                    Console.WriteLine(e);

            // 开始消费行为

            Console.WriteLine("Consume: {0}", cellContents);

            Console.WriteLine();

            // 重置 readerFlag 标志，表示消费行为已经完成

            readerFlag = false;

            // 通知 WriteToCell()方法（该方法在另外一个线程中执行，等待中）

            Monitor.Pulse(this);

        return cellContents;

    public void WriteToCell(int n)

        lock (this)

            if (readerFlag)

try

                    Monitor.Wait(this);

                catch (SynchronizationLockException e)

                    // 当同步方法（指Monitor类除Enter之外的方法）在非同步的代码区被调用

                    Console.WriteLine(e);

                catch (ThreadInterruptedException e)

                    // 当线程在等待状态的时候中止

                    Console.WriteLine(e);

            cellContents = n;

            Console.WriteLine("Produce: {0}", cellContents);

            readerFlag = true;

            Monitor.Pulse(this); // 通知另外一个线程中正在等待的 ReadFromCell() 方法

/// <summary>

/// 生产者

/// </summary>

public class CellProd

    /// <summary>

    /// 被操作的 Cell 对象

    /// </summary>

    Cell cell;

    /// <summary>

    /// 生产者生产次数，初始化为 1

    /// </summary>

    int quantity = 1;

    public CellProd(Cell box, int request)

        cell = box;

        quantity = request;

    public void ThreadRun()

        for (int looper = 1; looper <= quantity; looper++)

            // 生产者向操作对象写入信息

            cell.WriteToCell(looper);

/// <summary>

/// 消费者

/// </summary>

public class CellCons

    Cell cell;

    int quantity = 1;

    public CellCons(Cell box, int request)

        cell = box;

        quantity = request;

    public void ThreadRun()

        int valReturned;

        for (int looper = 1; looper <= quantity; looper++)

            valReturned = cell.ReadFromCell(); // 消费者从操作对象中读取信息

/// <summary>

/// 测试类

/// </summary>

public class MonitorSample

    public static void Main(String[] args)

        // 一个标志位，如果是 0 表示程序没有出错，如果是 1 表明有错误发生

        int result = 0;

        // 下面使用 cell 初始化 CellProd 和 CellCons 两个类，生产和消费次数均为 20 次

        Cell cell = new Cell();

        CellProd prod = new CellProd(cell, 20);

        CellCons cons = new CellCons(cell, 20);

        Thread producer = new Thread(new ThreadStart(prod.ThreadRun));

        Thread consumer = new Thread(new ThreadStart(cons.ThreadRun));

        // 生产者线程和消费者线程都已经被创建，但是没有开始执行

try

            producer.Start();

            consumer.Start();

            producer.Join();

            consumer.Join();

            Console.ReadLine();

        catch (ThreadStateException e)

            // 当线程因为所处状态的原因而不能执行被请求的操作

            Console.WriteLine(e);

            result = 1;

        catch (ThreadInterruptedException e)

            // 当线程在等待状态的时候中止

            Console.WriteLine(e);

            result = 1;

        // 尽管 Main() 函数没有返回值，但下面这条语句可以向父进程返回执行结果

        Environment.ExitCode = result;

这个简单的例子解决了多线程应用程序中可能出现的大问题，只要领悟了解决线程间冲突的基本方法，很容易把它应用到比较复杂的程序中去。