C#多線程編程中的鎖系統基本用法

2020-01-24 02:00:53

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供稿：網友

平常在多線程開發中，總避免不了線程同步。本篇就對net多線程中的鎖系統做個簡單描述。

目錄
一：lock、Monitor
     1：基礎。
     2: 作用域。
     3：字符串鎖。
     4：monitor使用
二：mutex
三：Semaphore
四：總結

一：lock、Monitor

1：基礎

Lock是Monitor語法糖簡化寫法。Lock在IL會生成Monitor。

復制代碼代碼如下:

//======Example 1=====
            string obj = "helloworld";
            lock (obj)
            {
                Console.WriteLine(obj);
            }
            //lock  IL會編譯成如下寫法
            bool isGetLock = false;
            Monitor.Enter(obj, ref isGetLock);
            try
            {
                Console.WriteLine(obj);
            }
            finally
            {
                if (isGetLock)
                {
                    Monitor.Exit(obj);
                }
            }

isGetLock參數是Framework 4.0后新加的。為了使程序在所有情況下都能夠確定，是否有必要釋放鎖。例: Monitor.Enter拿不到鎖

Monitor.Enter 是可以鎖值類型的。鎖時會裝箱成新對象，所以無法做到線程同步。

2：作用域

一：Lock是只能在進程內鎖，不能跨進程。走的是混合構造，先自旋再轉成內核構造。

二：關于對type類型的鎖。如下：

復制代碼代碼如下:

//======Example 2=====
            new Thread(new ThreadStart(() => {
                lock (typeof(int))
                {
                    Thread.Sleep(10000);
                    Console.WriteLine("Thread1釋放");
                }
            })).Start();
            Thread.Sleep(1000);
            lock(typeof(int))
            {
                Console.WriteLine("Thread2釋放");
            }

運行結果如下：

我們在來看個例子。

復制代碼代碼如下:

//======Example 3=====
            Console.WriteLine(DateTime.Now);
            AppDomain appDomain1 = AppDomain.CreateDomain("AppDomain1");
            LockTest Worker1 = (LockTest)appDomain1.CreateInstanceAndUnwrap(
             Assembly.GetExecutingAssembly().FullName,
             "ConsoleApplication1.LockTest");
            Worker1.Run();

            AppDomain appDomain2 = AppDomain.CreateDomain("AppDomain2");
            LockTest Worker2 = (LockTest)appDomain2.CreateInstanceAndUnwrap(
            Assembly.GetExecutingAssembly().FullName,
            "ConsoleApplication1.LockTest");
            Worker2.Run();
/// <summary>
    /// 跨應用程序域邊界或遠程訪問時需要繼承MarshalByRefObject
    /// </summary>
    public class LockTest : MarshalByRefObject
    {
        public void Run()
        {
            lock (typeof(int))
            {
                Thread.Sleep(10000);
                Console.WriteLine(AppDomain.CurrentDomain.FriendlyName + ": Thread 釋放," + DateTime.Now);
            }
        }
    }

運行結果如下：

第一個例子說明，在同進程同域，不同線程下，鎖type int，其實鎖的是同一個int對象。所以要慎用。

第二個例子，這里就簡單說下。

A: CLR啟動時，會創建系統域（System Domain）和共享域（Shared Domain），默認程序域（Default AppDomain）。系統域和共享域是單例的。程序域可以有多個，例子中我們使用AppDomain.CreateDomain方法創建的。

B: 按正常來說，每個程序域的代碼都是隔離，互不影響的。但對于一些基礎類型來說，每個程序域都重新加載一份，就顯得有點浪費，帶來額外的損耗壓力。聰明的CLR會把一些基本類型Object, ValueType, Array, Enum, String, and Delegate等所在的程序集MSCorLib.dll，在CLR啟動過程中都會加載到共享域。每個程序域都會使用共享域的基礎類型實例。

C: 而每個程序域都有屬于自己的托管堆。托管堆中最重要的是GC heap和Loader heap。GC heap用于引用類型實例的存儲，生命周期管理和垃圾回收。Loader heap保存類型系統，如MethodTable，數據結構等，Loader heap生命周期不受GC管理，跟程序域卸載有關。

所以共享域中Loader heap MSCorLib.dll中的int實例會一直保留著，直到進程結束。單個程序域卸載也不受影響。作用域很大有沒有！??！

這時第二個例子也很容易理解了。鎖int實例是跨程序域的，MSCorLib中的基礎類型都是這樣。極容易造成死鎖，慎用。而自定義類型則會加載到自己的程序域，不會影響別人。

3：字符串的鎖

我們都知道鎖的目的，是為了多線程下值被破壞。也知道string在c#是個特殊對象，值是不變的，每次變動都是一個新對象值，這也是推薦stringbuilder原因。如例：

復制代碼代碼如下:

//======Example 4=====
        string str1 = "mushroom";
        string str2 = "mushroom";
        var result1 = object.ReferenceEquals(str1, str2);
        var result2 = object.ReferenceEquals(str1, "mushroom");
        Console.WriteLine(result1 + "-" + result2);
        /* output
         * True-True
         */

正式由于c#中字符串的這種特性，所以字符串是在多線程下是不會被修改的，只讀的。它存在于SystemDomain域中managed heap中的一個hash table中。Key為string本身，Value為string對象的地址。

當程序域需要一個string的時候，CLR首先在這個Hashtable根據這個string的hash code試著找對應的Item。如果成功找到，則直接把對應的引用返回，否則就在SystemDomain對應的managed heap中創建該 string，并加入到hash table中，并把引用返回。所以說字符串的生命周期是基于整個進程的，也是跨AppDomain。

4：monitor用法

介紹下Wait，Pulse,PulseAll的用法。有注釋，大家直接看代碼吧。

復制代碼代碼如下:

static string str = "mushroom";
        static void Main(string[] args)
        {
            new Thread(() =>
            {
                bool isGetLock = false;
                Monitor.Enter(str, ref isGetLock);
                try
                {
                    Console.WriteLine("Thread1第一次獲取鎖");
                    Thread.Sleep(5000);
                    Console.WriteLine("Thread1暫時釋放鎖，并等待其他線程釋放通知信號。");
                    Monitor.Wait(str);
                    Console.WriteLine("Thread1接到通知,第二次獲取鎖。");
                    Thread.Sleep(1000);
                }
                finally
                {
                    if (isGetLock)
                    {
                        Monitor.Exit(str);
                        Console.WriteLine("Thread1釋放鎖");
                    }
                }
            }).Start();
            Thread.Sleep(1000);
            new Thread(() =>
            {
                bool isGetLock = false;
                Monitor.Enter(str, ref isGetLock); //一直等待中，直到其他釋放。
                try
                {
                    Console.WriteLine("Thread2獲得鎖");
                    Thread.Sleep(5000);
                    Monitor.Pulse(str); //通知隊列里一個線程，改變鎖狀態。 Pulseall 通知所有的
                    Console.WriteLine("Thread2通知其他線程，改變狀態。");
                    Thread.Sleep(1000);
                }
                finally
                {
                    if (isGetLock)
                    {
                        Monitor.Exit(str);
                        Console.WriteLine("Thread2釋放鎖");
                    }
                }

}).Start();
Console.ReadLine();

二：mutex

lock是不能跨進程鎖的。 mutex作用和lock類似，但是它能跨進程鎖資源(走的是windows內核構造)。我們來看個例子

復制代碼代碼如下:

static bool createNew = false;
        //第一個參數是否應擁有互斥體的初始所屬權。即createNew true時，mutex默認獲得處理信號
        //第二個是名字，第三個是否成功。
        public static Mutex mutex = new Mutex(true, "mushroom.mutex", out createNew);

        static void Main(string[] args)
        {
            //======Example 5=====
            if (createNew) //第一個創建成功，這時候已經拿到鎖了。無需再WaitOne了。一定要注意。
            {
                try
                {
                    Run();
                }
                finally
                {
                    mutex.ReleaseMutex(); //釋放當前鎖。
                }
            }
            //WaitOne 函數作用是阻止當前線程，直到拿到收到其他實例釋放的處理信號。
            //第一個參數是等待超時時間，第二個是否退出上下文同步域。
            else if (mutex.WaitOne(10000,false))//
            {
                try
                {
                    Run();
                }
                finally
                {
                    mutex.ReleaseMutex();
                }
            }
            else//如果沒有發現處理信號
            {
                Console.WriteLine("已經有實例了。");
                Console.ReadLine();
            }
        }
        static void Run()
        {
            Console.WriteLine("實例1");
            Console.ReadLine();
        }

我們順序起A B實例測試下。 A首先拿到鎖，輸出實例1 。 B在等待，如果10秒內A釋放，B拿到執行Run()。超時后輸出已經有實例了。

這里注意的是第一個拿到處理信號的實例，已經拿到鎖了。不需要再WaitOne。否則報異常。

三：Semaphore

即信號量，我們可以把它理解為升級版的mutex。mutex對一個資源進行鎖，semaphore則是對多個資源進行加鎖。

semaphore是由windows內核維持一個int32變量的線程計數器，線程每調用一次、計數器減一、釋放后對應加一，超出的線程則排隊等候。

走的是內核構造，所以semaphore也是可以跨進程的。

復制代碼代碼如下:

static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("準備處理隊列");

bool createNew = false;

            SemaphoreSecurity ss = new SemaphoreSecurity(); //信號量權限控制
            Semaphore semaphore = new Semaphore(2, 2, "mushroom.Semaphore", out createNew,null);
            for (int i = 1; i <= 5; i++)
            {
                new Thread((arg) =>
                {
                    semaphore.WaitOne();
                    Console.WriteLine(arg + "處理中");
                    Thread.Sleep(10000);
                    semaphore.Release(); //即semaphore.Release(1)
                    //semaphore.Release(5);可以釋放多個，但不能超過最大值。如果最后釋放的總量超過本身總量，也會報錯。不建議使用

                }).Start(i);
            }
            Console.ReadLine();
        }

四：總結

mutex、Semaphore 需要由托管代碼轉成本地用戶模式代碼、再轉換為本地內核代碼。

反之同樣，饒了一大圈，性能肯定不會很好。所以僅在需要跨進程的場景才使用。

上一篇：C#多線程編程中的鎖系統（二）

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