锁·——lock关键字详解

作  者：刘铁猛
日  期：2005-12-25
关键字：lock 多线程 同步

小序
锁者，lock关键字也。市面上的书虽然多，但仔细介绍这个keyword的书太少了。MSDN里有，但所给的代码非常零乱，让人不能参透其中的玄机。昨天是平安夜，今天自然就是圣诞节了，没别的什么事情，于是整理了一下思路，使用两个例子给大家讲解一下lock关键字的使用和一点线程同步的问题。

一．基础铺垫——进程与线程
         阅读提示：如果您已经了解什么是线程以及如何使用线程，只关心如何使用lock关键字，请跳过一、二、三节，直接登顶。
多线程（multi-thread）程序是lock关键字的用武之地。如果想编写多线程的程序，一般都要在程序的开头导入System.Threading这个名称空间。
         一般初学者在看书的时候，一看到多线程一章就会跳过去，一是认为自己的小宇宙不够强、功力不够深——线程好神秘、好诡异——还是先练好天马流星拳之后再来收拾它；二是不了解什么时候要用到线程，认为自己还用不到那么高深的技术。其实呢，线程是个即简单又常用的概念。
1．线程的载体——进程
    要想知道什么是线程，就不得不先了解一下线程的载体——进程。
我们的程序在没有运行的时候，都是以可执行文件（*.exe文件）的形式静静地躺在硬盘里的。Windows下的可执行文件称为PE文件格式（Portable
Executable File Format），这里的Portable不是指Portable Computer（便携式电脑，也就是本本）中的“便携”，而是指在所有Windows系统上都可以执行的便捷性、可移植性。可执行文件会一直那么静静地躺着，直到你用鼠标敲两下它的脑袋——这时候，Windows的程序管理功能就会根据程序的特征为程序分配一定的内存空间，并使用加载器（loader）把程序体装载入内存。不过值得注意的是，这个时候程序虽然已经被装载入了内存，但还没有执行起来。接下来Windows会寻找程序的“入口点”以开始执行它。当然，我们都已经知道——如果是命令行应用程序，那么它的入口点是main函数，如果是GUI（Graphic
User Interface，简言之就是带窗口交互界面一类的）应用程序，那么它的入口点将是_tWinMain函数（早先叫WinMain，参阅本人另一篇拙文《一个Win32程序的进化》）。一旦找到这个入口点函数，操作系统就要“调用”这个主函数，程序就从这里进入执行了。同时，系统会把开始执行的应用程序注册为一个“进程”（Process），欲知系统运行着多少进程，你可以按下Ctrl+Alt+Del，从Task
Manager里查看（如果对Windows如何管理进程感兴趣，可以阅读与分时系统、抢先式多任务相关的文章和书籍）。
    至此，我们可以说：如果把一个应用程序看成是一个Class的话，那么进程就是这个Class在内存中的一个“活”的实例——这是面向对象的理念。现在或许你也应该明白了为什么C#语言的Main函数要写在一个Class里，而不能像C/C++那样把main函数赤裸裸地写在外面。类是可以有多个实例的，一个程序也可以通过被双击N次在内存中运行N个副本，我们常用的Word
2003、QQ等都是这样的程序。当然，也有的程序只允许在内存里有一个实例，MSN Messenger和杀毒软件就是是这样的一类。
2．主角登场——线程
    一个进程只做一件事情，这本无可非议，但无奈人总是贪心的。人们希望应用程序一边做着前台的程序，一边在后台默默无闻地干着其它工作。线程的出现，真可谓“将多任务进行到底”了。
    这儿有几个实际应用的例子。比如我在用Word杜撰老板交给的命题（这是Word的主线程），我的Word就在后台为我计时，并且每10分钟为我自动保存一次，以便在发生地震之后我能快速找回十分钟之前写的稿子并继续工作——死不了还是要交的。抑或是我的Outlook，它一边看我向手头的邮件里狠命堆诸如“预算正常”“进展顺利”之类的字眼，一边不紧不慢地在后台接收别人发给我的债务单和催命会议通知……它哪里知道我是多么想到Out去look一下，透透气。诸此IE，MSN
Messenger，QQ，Flashget，BT，eMule……尽数是基于多线程而得以生存的软件。现在，我们应该已经意识到，基本上稍微有点用的程序就得用到多线程——特别是在网络应用程序中，使用多线程格外重要。

二．进程和线程间的关系
         我们已经在感观上对进程和线程有了初步的了解，那么它们之间有什么关系呢？前面我们已经提到一点，那就是——进程是线程的载体，每个进程至少包含一个线程。接下来，我们来看看其它的关系。
         1．进程与进程的关系：在.NET平台下，每个应用程序都被load进入自己独立的内存空间内，这个内存空间称为Application
Domain，简称为AppDomain。一个一个AppDomain就像一个一个小隔间，把进程与进程、进程与系统底层之间隔绝起来，以防某个程序突然发疯的话会殃及近邻或者造成系统崩溃。
         2．线程与线程的关系：在同一个进程内可以存在很多线程，与进程同时启动的那个线程是主线程。非主线程不可能自己启动，一定是直接或间接由主线程启动的。线程与线程之间可以相互通信，共同使用某些资源。每个线程具有自己的优先级，优先级高的先执行，低的后执行。众线之间的关系非有趣——如果它们之间是互相独立、谁也不用顾及谁的话，那么就是“非同步状态”（Unsynchronized），比较像路上的行人；而如果线程与线程之间是相互协同协作甚至是依赖的，那么就是“同步状态”（Synchronized），这与反恐特警执行Action一样，需要互相配合，绝不能一哄而上——投手雷不能像招聘会上投简历那样！

三．线程小例
         这里给出一个C#写的多线程的小范例，如果有哪里不明白，请参阅MSDN。我在以后的文章中将仔细讲解这些小例子。
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using System;
using System.Threading;//多线程程序必需的

namespace ThreadSample1
{
     class A
     {
         //为了能够作为线程的入口点，程序必需是无参、无返回值
         public static void Say()
         {
              for (int i = 0; i < 1000; i++)
              {
                  Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Yellow;
                   Console.WriteLine("A merry Christmas to you!"); 
              }
         }
     }

class B
     {
         //为了能够作为线程的入口点，程序必需是无参、无返回值
         public void Say()
         {
              for (int i = 0; i < 1000; i++)
              {
                   Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Green;
                   Console.WriteLine("A merry Christmas to you!");
              }
         }
     }
     
     class Program
     {
         static void Main(string[] args)
         {
              //用到两个知识点：A类的静态方法；匿名的ThreadStart实例
              //如果想了解如何构造一个线程（Thread）请查阅MSDN
              Thread Thread1 = new Thread(new ThreadStart(A.Say));
              
              B b = new B();
              //这次是使用实例方法来构造一个线程
              Thread Thread2 = new Thread(new ThreadStart(b.Say));

//试试把下面两句同时注释掉，会发生什么结果？
              Thread2.Priority = ThreadPriority.Highest;
              Thread1.Priority = ThreadPriority.Lowest;

Thread1.Start();
              Thread2.Start();
         }
     }
}
         这个例子完全是为了我们讲解lock而做的铺垫，希望大家一定要仔细读懂。其中最重要的是理解由静态方法和实例方法构造线程。还要注意到，本例中使用到了线程的优先级：Thread2的优先级为最高，Thread1的优先级为最低，所以尽管Thread1比Thread2先启动，而要等到Thread2执行完之后再执行（线程优先级有5级，大家可以自己动手试一试）。如果把给两个线程赋优先级的语句注释掉，你会发现两种颜色交错在一起……这就体现出了线程间的“非同步状态”。注意：在没有注释掉两句之前，两个线程虽然有先后顺序，但那是由优先级（操作系统）决定的，不能算是同步（线程间相互协同）。

四．登顶
         很抱歉的一点是，lock的使用与线程的同步是相关的，而本文限于篇幅又不能对线程同步加以详述。本人将在近期再写一篇专门记述线程同步的文章，在此之前，请大家先参阅MSDN及其他同仁的作品。
1．使用lock关键字的第一个目的：保证共享资源的安全。
    当多个线程共享一个资源的时候，常常会产生协同问题，这样的协同问题往往是由于时间延迟引起的。拿银行的ATM机举例，如果里面有可用资金5000元，每个人每次可以取50到200元，现在有100个人来取钱。假设一个人取钱的时候，ATM机与银行数据库的沟通时间为10秒，那么在与总行计算机沟通完毕之前（也就是把你取的钱从可用资金上扣除之前），ATM机不能再接受别一个人的请求——也就是被“锁定”。这也就是lock关键字得名的原因。
如果不“锁定”ATM会出现什么情况呢？假设ATM里只剩下100元了，后面还有很多人等着取钱，一个人取80，ATM验证80<100成立，于是吐出80，这时需要10秒钟与银行总机通过网络沟通（网络，特别是为了保证安全的网络，总是有延迟的），由于没有锁定ATM，后面的客户也打算取80……戏剧性的一幕出现了：ATM又吐出来80！因为这时候它仍然认为自己肚子里有100元！下面的程序就是这个例子的完整实现。
         这个例子同时也展现了lock关键第的第一种用法：针对由静态方法构造的线程，由于线程所执行的方法并不具有类的实例作为载体，所以，“上锁”的时候，只能是锁这个静态方法所在的类——lock (typeof(ATM))
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using System;
using System.Threading;

namespace LockSample
{
     class ATM
     {
         static int remain = 5000;//可用金额

public static void GiveOutMoney(int money)
         {
              lock (typeof(ATM))//核心代码！注释掉这句，会得到红色警报
              {
                   if (remain >= money)
                   {
                       Thread.Sleep(100);//模拟时间延迟
                       remain -= money;
                   } 
              }
              if (remain >= 0)
              {
                   Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Green;
                   Console.WriteLine("{0}$ /t in ATM.", remain);
              }
              else
              {
                   Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Red;
                   Console.WriteLine("{0}$ /t remained.", remain);
              }
         }
     }

class Boy
     {
         Random want = new Random();
         int money;

public void TakeMoney()
         {
                   money = want.Next(50, 200);
                   ATM.GiveOutMoney(money);
         }
     }
     
     class Program
     {
         static void Main(string[] args)
         {
              Boy[] Boys = new Boy[100];
              Thread[] Threads = new Thread[100];
              for (int i = 0; i < 100; i++)
              {
                   Boys[i] = new Boy();
                   Threads[i] = new Thread(new ThreadStart(Boys[i].TakeMoney));
                   Threads[i].Name = "Boy" + i.ToString();
                   Threads[i].Start();
              }
         }
     }
}
2．使用lock关键字的第二个目的：保证线程执行的顺序合理。
         回想上面的例子：取钱这件事情基本上可以认为是一个操作就能完成，而很多事情并不是一步就能完成的，特别是如果每一步都与某个共享资源挂钩时，如果在一件事情完成（比如十个操作步骤）之前不把资源锁进来，那么N多线程乱用资源，肯定会混乱不堪的。相反，如果我们在一套完整操作完成之前能够锁定资源（保证使用者的“独占性”），那么想使用资源的N多线程也就变得井然有序了。
         狗年快到了，让我们来看看我们的狗妈妈是怎样照顾她的小宝贝的。狗妈妈“花花”有三个小宝贝，它们的身体状况不太相同：壮壮很壮，总是抢别人的奶吃；灵灵体格一般，抢不到先也不会饿着；笨笨就比较笨了，身体弱，总是喝不着奶。这一天，狗妈妈决定改善一下给小宝贝们喂奶的方法——由原来的哄抢方式改为一狗喂十口，先喂笨笨，然后是灵灵，最后才是壮壮……在一只小狗狗吮完十口之前，别的小狗狗不许来捣蛋！OK，让我们看下面的代码：
         注意，这段代码展示了lock的第二种用法——针对由实例方法构造的线程，lock将锁住这个方法的实例载体，也就是使用了——lock (this)
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//            http://blog.csdn.net/FantasiaX            //
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using System;
using System.Threading;

namespace LockSample2
{
     class DogMother
     {
         //喂一口奶
         void Feed()
         {
              //Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Yellow;
              //Console.WriteLine("Puzi...zi...");
              //Console.ForegroundColor = ConsoleColor.White;
              Thread.Sleep(100);//喂一口奶的时间延迟
         }
         //每只狗狗喂口奶
         public void FeedOneSmallDog()
         {
              //因为用到了实例方法，所以要锁this，this是本类运行时的实例
              //注释掉下面一行，回到哄抢方式，线程的优先级将产生效果
              lock (this)
              {
                   for (int i = 1; i <= 10; i++)
                   {
                       this.Feed();
                       Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name.ToString() + " sucked {0} time.", i);
                   }
              }
         }
     }

class Program
     {
         static void Main(string[] args)
         {
              DogMother huahua = new DogMother();

Thread DogStrong = new Thread(new ThreadStart(huahua.FeedOneSmallDog));
              DogStrong.Name = "Strong small Dog";
              DogStrong.Priority = ThreadPriority.AboveNormal;

Thread DogNormal = new Thread(new ThreadStart(huahua.FeedOneSmallDog));
              DogNormal.Name = "Normal small Dog";
              DogNormal.Priority = ThreadPriority.Normal;

Thread DogWeak = new Thread(new ThreadStart(huahua.FeedOneSmallDog));
              DogWeak.Name = "Weak small Dog";
              DogWeak.Priority = ThreadPriority.BelowNormal;

//由于lock的使用，线程的优先级就没有效果了，保证了顺序的合理性
              //注释掉lock句后，线程的优先级将再次显现效果
              DogWeak.Start();
              DogNormal.Start();
              DogStrong.Start();
         }
     }
}
小结：
祝贺你！至此，我们已经初步学会了如何使用C#语言的lock关键字来使一组共享同一资源的线程进行同步、保证执行顺序的合理以及共享资源的安全。
相信如果你已经仔细看过例子，并在自己的机器上进行了实践，那么你对线程已经不再陌生、害怕（就像小宇宙爆发了一样）。如果你不满足于仅仅是学会一个lock，还想掌握更多更高超的技能（比如……呃……六道轮回？柔破斩？无敌风火轮？如来神掌？），请参阅MSDN中System.Threading名称空间的内容，你会发现lock背后隐藏的秘密（Monitor 类），而且我也极力推荐你这么做：趁热打铁，你可以了解到为什么lock只能对引用类型加以使用、lock与Monitor的Enter/Exit和Try…Catch是如何互换的……

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