1、什么是线程安全 

  线程安全是编程中的术语,指某个函数、函数库在多线程环境中被调用时,能够正确地处理多个线程之间的共享变量,使程序功能正确完成。
一般来说,线程安全的函数应该为每个调用它的线程分配专门的空间,来储存需要单独保存的状态(如果需要的话),不依赖于“线程惯性”,把多个线程共享的变量正确对待(如,通知编译器该变量为“易失(volatile)”型,阻止其进行一些不恰当的优化),而且,线程安全的函数一般不应该修改全局对象。(注:摘自https://www.baidu.gugeeseo.com/wiki/%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E5%AE%89%E5%85%A8

  这里有两个前提:

  1、多线程环境

  2、线程直接共享变量

  在这个前提下,我们才可以讨论线程安全问题。那什么是线程安全?如果上边的文字还不能理解,请看以下示例:

  

     private int number = ;
public void TestVolatile()
{
for (var i = ; i < ; i++)
{
number++;
}
Console.WriteLine(number);
}

输出结果:100

这个结果和我们预期的一直,但这是单线程环境,现在我们使用多线程环境

     public void Test()
{
for (var i = ; i < ; i++)
{
TestVolatile();
}
} public void TestVolatile()
{
int number = ;
var tasks = new List<Task>();
for (var i = ; i < ; i++)
{
var task = Task.Run(() =>
{
number++;
});
tasks.Add(task);
}
Task.WaitAll(tasks.ToArray());
Console.WriteLine(number);
}

数据结果:

我们发现多线程环境下:

1、输出结果不是一个固定的值

2、输出结果和单线程环境结果不一致,和我们的预期不一致

通过上述两个示例,我们可以明确:示例一是线程安全的,示例二不是线程安全的

2、如何解决线程安全

  在思考如何解决线程安全问题前,我们先思考下示例二为什么会出现这种结果?

   首先,它肯定是执行了100次累加的,其次为什么结果会不是100呢?

   答案只有一个:脏读了,就是说:我同时多个线程读取到的number相同,大家都加了1在赋值给number,导致结果就是看上去只有一个加了1。

   所以根据这个问题,我们解决的思路就是多线程环境下对number++执行应该是单线程的,同时只能有一个线程在执行此段代码。

   所以想要解决线程安全问题,其实就是解决执行代码段原子性问题,确保同时只有一个线程在访问,那我们就说这段代码是线程安全的。在.NET中线程安全问题主要可以通过以下方式处理,它们各自适用的环境不一样,需要了解其机制酌情使用:

对象名/关键字 方法 说明 示例
lock(关键字)  

通过获取指定对象的排它锁,达到一段代码块线程安全的执行;

lock本身是个语法糖,底层是通过Monitor来实现的;

        private static object _LOCK = new object();

        public void Main()
{
Monitor.Enter(_LOCK);
try
{
//执行
}
catch { }
finally
{
Monitor.Exit(_LOCK);
}
}
        private static object _LOCK = new object();

        public void Main()
{
lock (_LOCK)
{ }
}
volatile(变量修饰符)  

volatile是C#中用于控制同步的关键字,其意义是针对程序中一些敏感数据,不允许多线程同时访问,保证数据在任何访问时刻,最多有一个线程访问,以保证数据的完整性,volatile是修饰变量的修饰符。

多个线程同时访问一个变量,CLR为了效率,允许每个线程进行本地缓存,这就导致了变量的不一致性。volatile就是为了解决这个问题,volatile修饰的变量,不允许线程进行本地缓存,每个线程的读写都是直接操作在共享内存上,这就保证了变量始终具有一致性。

        private volatile bool _isCompleteCalled;
static 构造函数  

将构造函数申明未静态的,这是利用的C# 类加载机制实现的。其只会在类第一次实例化时执行,优先级高于非静态构造函数;

 public class TestLock
{
static TestLock()
{
//在第一次实例化的时候,仅执行一次
}
}
Interlocked(为多个线程共享的变量提供原子操作) Add 对两个整数进行求和并用和替换第一个整数,上述操作作为一个原子操作完成。  
CompareExchange 比较两个对象 T 是否相等,如果相等,则替换第一个。  
Decrement 以原子操作的形式递减指定变量的值并存储结果  
Exchange  以原子操作的形式,将对象设置为指定的值并返回对原始对象的引用。  
Increment 以原子操作的形式递增指定变量的值并存储结果  
LazyInitializer(提供延迟初始化例程) EnsureInitialized 初始化具有类型的默认构造函数的目标引用类型,如果其尚未已初始化。  
Monitor(提供同步访问对象的机制) Enter 在指定对象上获取排他锁  
  Exit 释放指定对象上的排他锁  
  IsEntered 确定当前线程是否保留指定对象上的锁  
  Pulse 通知等待队列中的线程锁定对象状态的更改  
  PulseAll 通知所有的等待线程对象状态的更改  
  TryEnter 在指定的时间内尝试获取指定对象上的排他锁  
  Wait 释放对象上的锁并阻止当前线程,直到它重新获取该锁。 如果已用指定的超时时间间隔,则线程进入就绪队列。 此方法还指定是否在等待之前退出上下文的同步域(如果在同步上下文中)然后重新获取该同步域。  
System.Collections.Concurrent.BlockingCollection<T>   为实现 System.Collections.Concurrent.IProducerConsumerCollection`1 的线程安全集合提供阻塞和限制功能。  
System.Collections.Concurrent.ConcurrentBag<T>   表示对象的线程安全的无序集合。  
System.Collections.Concurrent.ConcurrentDictionary<TKey, TValue>   表示可由多个线程同时访问的键/值对的线程安全集合。  
System.Collections.Concurrent.ConcurrentQueue<T>   表示线程安全的先进先出 (FIFO) 集合。  
System.Collections.Concurrent.ConcurrentStack<T>   表示线程安全的后进先出 (LIFO) 集合。  

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