细说.NET中的多线程 (四 使用锁进行同步)

通过锁来实现同步

排它锁主要用来保证，在一段时间内，只有一个线程可以访问某一段代码。两种主要类型的排它锁是lock和Mutex。Lock和Mutex相比构造起来更方便，运行的也更快。但是Mutex可以在同一个机器上的不同进程使用。

Monitor.Enter和Monitor.Exit

C#中的lock关键字，实际上是Monitor.Enter,Monitor.Exist的一个简写。在.NET 1.0,2.0,3.0 版本的c#中，lock会被编译成如下代码：

        Monitor.Enter(_locker);
        try
        {
            if (_val2 != 0) Console.WriteLine(_val1 / _val2);
            _val2 = 0;
        }
        finally { Monitor.Exit(_locker); }

如果你没有调用Monitor.Enter而直接调用Monitor.Exit会引发异常。

LockTaken版本：

想象一下上面这段代码，如果再Monitor.Enter之后，try之前，线程出现了异常(比如被终止)，在这种情况下，finally中的Exit方法就永远不会被执行，也就导致了这个锁不会被释放。为了避免这种情况，CLR 4.0的设计者重载了Monitor.Enter方法：

public static void Enter (object obj, ref bool lockTaken);

如果当前线程由于某些异常导致锁没有被获取到，lockTake值会为false，因此在CLR 4.0中，lock会被解释成如下代码：

        bool lockTaken = false;
        try
        {

            Monitor.Enter(_locker, ref lockTaken);

            // Do your stuff...
        }

        finally { if (lockTaken) Monitor.Exit(_locker); }

TryEnter

Monitor也提供了了一个TryEnter方法，允许你设置一个超时时间，避免当前线程长时间获取不到锁而一直等待。

选择正确的同步对象

你需要选择一个对所有线程都可见的对象进行lock(obj)来确保程序能够按照你的意图执行。如果比不了解C#语言中的某些特性，lock可能不会按照你 期望来执行。

1. 由于字符串的驻留机制，lock("string")不是一个好的选择
2. Lock一个值类型不是一个好的选择
3. Lock(typeof(..))不是一个好的选择，因为System.Type的特性

什么时候使用lock

一个基本的规则，你需要对任意的写操作，或者可修改的字段进行lock。即使是一个赋值操作，或者累加操作，你也不能假设他是线程安全的。

例如下面代码不是线程安全的：

        class ThreadUnsafe
        {
            static int _x;
            static void Increment() { _x++; }
            static void Assign() { _x = 123; }
        }

你需要这样写：

        class ThreadSafe
        {
            static readonly object _locker = new object();
            static int _x;

            static void Increment() { lock (_locker) _x++; }
            static void Assign() { lock (_locker) _x = 123; }
        }

如果你看过一些BCL类库里面的实现，你可以能会发现，某些情况下会使用InterLocked类，而不是lock，我们会在后面介绍。

关于嵌套锁或者reentrant

你在阅读一些文档的时候，有的文档可能会说lock或者Monitor.Enter是reentrant(可重入的)，那么我们如何理解reentrant呢？

想象下以下代码：

            lock (locker)
                lock (locker)
                    lock (locker)
                    {
                        // Do something...
                    }

或者是：

            Monitor.Enter(locker); Monitor.Enter(locker); Monitor.Enter(locker);
            // Do something...
            Monitor.Exit(locker); Monitor.Exit(locker); Monitor.Exit(locker);

这种情况下，只有在最后一个exit执行后，或者执行了相应次数的Exit后，locker才是可获取的状态。

Mutex

Mutex像c#中的lock一样，但是在不同的进程中仍然可以使用。换句话说，Mutex是一个计算机级别的锁。因此获取这样一个锁要比Monitor慢很多。

示例代码：

using System;
using System.Threading.Tasks;
using System.Threading;

namespace MultiThreadTest
{
    class OneAtATimePlease
    {
        static void Main()
        {
            // Naming a Mutex makes it available computer-wide. Use a name that's
            // unique to your company and application (e.g., include your URL).

            using (var mutex = new Mutex(false, "oreilly.com OneAtATimeDemo"))
            {
                // Wait a few seconds if contended, in case another instance
                // of the program is still in the process of shutting down.

                if (!mutex.WaitOne(TimeSpan.FromSeconds(3), false))
                {
                    Console.WriteLine("Another app instance is running. Bye!");
                    return;
                }
                RunProgram();
            }
        }

        static void RunProgram()
        {
            Console.WriteLine("Running. Press Enter to exit");
            Console.ReadLine();
        }
    }
}

Semaphore

Monitor和Mutex都是排他锁，Semaphore我们常用的另外一种非排他的锁。

我们用它来实现这样一个例子：一个酒吧，最多能容纳3人，如果客满则需要等待，有客人离开，等待的人随时可以进来。

示例代码：

using System;
using System.Threading;

class TheClub      // No door lists!
{
    static Semaphore _sem = new Semaphore(3, 3);    // Capacity of 3

    static void Main()
    {
        for (int i = 1; i <= 5; i++) new Thread(Enter).Start(i);

        Console.ReadLine();
    }

    static void Enter(object id)
    {
        Console.WriteLine(id + " wants to enter");
        _sem.WaitOne();
        Console.WriteLine(id + " is in!");           // Only three threads
        Thread.Sleep(1000 * (int)id);               // can be here at
        Console.WriteLine(id + " is leaving");       // a time.
        _sem.Release();
    }
}

使用Semaphore需要调用者来控制访问资源，调用WaitOne来获取资源，通过Release来释放资源。开发者有责任确保资源能够正确释放。

Semaphore在限制同步访问的时候非常有用，它不会像Monitor或者Mutex那样当一个线程访问某些资源时，其它所有线程都需要等，而是设置一个缓冲区，允许最多多少个线程同时进行访问。

Semaphore也可以像Mutex一样，跨进程进行同步。

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EN-US
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本节主要总结了使用锁进行同步，下一节将总结使用信号量进行同步。