1.1 简介
1.2 执行基本原子操作
1.3 使用Mutex类
1.4 使用SemaphoreSlim类
1.5 使用AutoResetEvent类
1.6 使用ManualResetEventSlim类
1.7 使用CountDownEvent类
1.8 使用Barrier类
1.9 使用ReaderWriterLockSlim类
1.10 使用SpinWait类
参考书籍
笔者水平有限，如果错误欢迎各位批评指正！

1.1 简介

本章介绍在C#中实现线程同步的几种方法。因为多个线程同时访问共享数据时，可能会造成共享数据的损坏，从而导致与预期的结果不相符。为了解决这个问题，所以需要用到线程同步，也被俗称为“加锁”。但是加锁绝对不对提高性能，最多也就是不增不减，要实现性能不增不减还得靠高质量的同步源语(Synchronization Primitive)。但是因为正确永远比速度更重要，所以线程同步在某些场景下是必须的。

线程同步有两种源语(Primitive)构造：用户模式(user - mode)和内核模式(kernel - mode)，当资源可用时间短的情况下，用户模式要优于内核模式，但是如果长时间不能获得资源，或者说长时间处于“自旋”，那么内核模式是相对来说好的选择。

但是我们希望兼具用户模式和内核模式的优点，我们把它称为混合构造(hybrid construct)，它兼具了两种模式的优点。

在C#中有多种线程同步的机制，通常可以按照以下顺序进行选择。

如果代码能通过优化可以不进行同步，那么就不要做同步。

使用原子性的Interlocked方法。

使用lock/Monitor类。

使用异步锁，如SemaphoreSlim.WaitAsync()。

使用其它加锁机制，如ReaderWriterLockSlim、Mutex、Semaphore等。

如果系统提供了*Slim版本的异步对象，那么请选用它，因为*Slim版本全部都是混合锁，在进入内核模式前实现了某种形式的自旋。

在同步中，一定要注意避免死锁的发生，死锁的发生必须满足以下4个基本条件，所以只需要破坏任意一个条件，就可避免发生死锁。

排他或互斥(Mutual exclusion)：一个线程(ThreadA)独占一个资源，没有其它线程(ThreadB)能获取相同的资源。

占有并等待(Hold and wait)：互斥的一个线程(ThreadA)请求获取另一个线程(ThreadB)占有的资源.

不可抢先(No preemption)：一个线程(ThreadA)占有资源不能被强制拿走(只能等待ThreadA主动释放它的资源)。

循环等待条件(Circular wait condition)：两个或多个线程构成一个循环等待链，它们锁定两个或多个相同的资源，每个线程都在等待链中的下一个线程占有的资源。

1.2 执行基本原子操作

CLR保证了对这些数据类型的读写是原子性的：Boolean、Char、(S)Byte、(U)Int16、(U)Int32、(U)IntPtr和Single。但是如果读写Int64可能会发生读取撕裂(torn read)的问题，因为在32位操作系统中，它需要执行两次Mov操作，无法在一个时间内执行完成。

那么在本节中，就会着重的介绍System.Threading.Interlocked类提供的方法，Interlocked类中的每个方法都是执行一次的读取以及写入操作。更多与Interlocked类相关的资料请参考链接，戳一戳本文不在赘述。

演示代码如下所示，分别使用了三种方式进行计数：错误计数方式、lock锁方式和Interlocked原子方式。

private static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine("错误的计数");

    var c = new Counter();
    Execute(c);

    Console.WriteLine("--------------------------");


    Console.WriteLine("正确的计数 - 有锁");

    var c2 = new CounterWithLock();
    Execute(c2);

    Console.WriteLine("--------------------------");


    Console.WriteLine("正确的计数 - 无锁");

    var c3 = new CounterNoLock();
    Execute(c3);

    Console.ReadLine();
}

static void Execute(CounterBase c)
{
    // 统计耗时
    var sw = new Stopwatch();
    sw.Start();

    var t1 = new Thread(() => TestCounter(c));
    var t2 = new Thread(() => TestCounter(c));
    var t3 = new Thread(() => TestCounter(c));
    t1.Start();
    t2.Start();
    t3.Start();
    t1.Join();
    t2.Join();
    t3.Join();

    sw.Stop();
    Console.WriteLine($"Total count: {c.Count} Time:{sw.ElapsedMilliseconds} ms");
}

static void TestCounter(CounterBase c)
{
    for (int i = 0; i < 100000; i++)
    {
        c.Increment();
        c.Decrement();
    }
}

class Counter : CounterBase
{
    public override void Increment()
    {
        _count++;
    }

    public override void Decrement()
    {
        _count--;
    }
}

class CounterNoLock : CounterBase
{
    public override void Increment()
    {
        // 使用Interlocked执行原子操作
        Interlocked.Increment(ref _count);
    }

    public override void Decrement()
    {
        Interlocked.Decrement(ref _count);
    }
}

class CounterWithLock : CounterBase
{
    private readonly object _syncRoot = new Object();

    public override void Increment()
    {
        // 使用Lock关键字 锁定私有变量
        lock (_syncRoot)
        {
            // 同步块
            Count++;
        }
    }

    public override void Decrement()
    {
        lock (_syncRoot)
        {
            Count--;
        }
    }
}


abstract class CounterBase
{
    protected int _count;

    public int Count
    {
        get
        {
            return _count;
        }
        set
        {
            _count = value;
        }
    }

    public abstract void Increment();

    public abstract void Decrement();
}

运行结果如下所示，与预期结果基本相符。

1533267651508

1.3 使用Mutex类

System.Threading.Mutex在概念上和System.Threading.Monitor几乎一样，但是Mutex同步对文件或者其他跨进程的资源进行访问，也就是说Mutex是可跨进程的。因为其特性，它的一个用途是限制应用程序不能同时运行多个实例。

Mutex对象支持递归，也就是说同一个线程可多次获取同一个锁，这在后面演示代码中可观察到。由于Mutex的基类System.Theading.WaitHandle实现了IDisposable接口，所以当不需要在使用它时要注意进行资源的释放。更多资料：戳一戳

演示代码如下所示，简单的演示了如何创建单实例的应用程序和Mutex递归获取锁的实现。

const string MutexName = "CSharpThreadingCookbook";

static void Main(string[] args)
{
    // 使用using 及时释放资源
    using (var m = new Mutex(false, MutexName))
    {
        if (!m.WaitOne(TimeSpan.FromSeconds(5), false))
        {
            Console.WriteLine("已经有实例正在运行!");
        }
        else
        {

            Console.WriteLine("运行中...");

            // 演示递归获取锁
            Recursion();

            Console.ReadLine();
            m.ReleaseMutex();
        }
    }

    Console.ReadLine();
}

static void Recursion()
{
    using (var m = new Mutex(false, MutexName))
    {
        if (!m.WaitOne(TimeSpan.FromSeconds(2), false))
        {
            // 因为Mutex支持递归获取锁 所以永远不会执行到这里
            Console.WriteLine("递归获取锁失败！");
        }
        else
        {
            Console.WriteLine("递归获取锁成功！");
        }
    }
}

运行结果如下图所示，打开了两个应用程序，因为使用Mutex实现了单实例，所以第二个应用程序无法获取锁，就会显示已有实例正在运行。

1533278259064

1.4 使用SemaphoreSlim类

SemaphoreSlim类与之前提到的同步类有锁不同，之前提到的同步类都是互斥的，也就是说只允许一个线程进行访问资源，而SemaphoreSlim是可以允许多个访问。

在之前的部分有提到，以*Slim结尾的线程同步类，都是工作在混合模式下的，也就是说开始它们都是在用户模式下"自旋"，等发生第一次竞争时，才切换到内核模式。但是SemaphoreSlim不同于Semaphore类，它不支持系统信号量，所以它不能用于进程之间的同步。

该类使用比较简单，演示代码演示了6个线程竞争访问只允许4个线程同时访问的数据库，如下所示。

static void Main(string[] args)
{
    // 创建6个线程 竞争访问AccessDatabase
    for (int i = 1; i <= 6; i++)
    {
        string threadName = "线程 " + i;
        // 越后面的线程，访问时间越久 方便查看效果
        int secondsToWait = 2 + 2 * i;
        var t = new Thread(() => AccessDatabase(threadName, secondsToWait));
        t.Start();
    }

    Console.ReadLine();
}

// 同时允许4个线程访问
static SemaphoreSlim _semaphore = new SemaphoreSlim(4);

static void AccessDatabase(string name, int seconds)
{
    Console.WriteLine($"{name} 等待访问数据库.... {DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.ffff")}");

    // 等待获取锁 进入临界区
    _semaphore.Wait();

    Console.WriteLine($"{name} 已获取对数据库的访问权限 {DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.ffff")}");
    // Do something
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));

    Console.WriteLine($"{name} 访问完成... {DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss.ffff")}");
    // 释放锁
    _semaphore.Release();
}

运行结果如下所示，可见前4个线程马上就获取到了锁，进入了临界区，而另外两个线程在等待；等有锁被释放时，才能进入临界区。 1533281733322

1.5 使用AutoResetEvent类

AutoResetEvent叫自动重置事件，虽然名称中有事件一词，但是重置事件和C#中的委托没有任何关系，这里的事件只是由内核维护的Boolean变量，当事件为false，那么在事件上等待的线程就阻塞；事件变为true，那么阻塞解除。

在.Net中有两种此类事件，即AutoResetEvent(自动重置事件)和ManualResetEvent(手动重置事件)。这两者均是采用内核模式，它的区别在于当重置事件为true时，自动重置事件它只唤醒一个阻塞的线程，会自动将事件重置回false，造成其它线程继续阻塞。而手动重置事件不会自动重置，必须通过代码手动重置回false。

因为以上的原因，所以在很多文章和书籍中不推荐使用AutoResetEvent(自动重置事件)，因为它很容易在编写生产者线程时发生失误，造成它的迭代次数多余消费者线程。

演示代码如下所示，该代码演示了通过AutoResetEvent实现两个线程的互相同步。

static void Main(string[] args)
{
    var t = new Thread(() => Process(10));
    t.Start();

    Console.WriteLine("等待另一个线程完成工作！");
    // 等待工作线程通知 主线程阻塞
    _workerEvent.WaitOne();
    Console.WriteLine("第一个操作已经完成！");
    Console.WriteLine("在主线程上执行操作");
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(5));

    // 发送通知 工作线程继续运行
    _mainEvent.Set();
    Console.WriteLine("现在在第二个线程上运行第二个操作");

    // 等待工作线程通知 主线程阻塞
    _workerEvent.WaitOne();
    Console.WriteLine("第二次操作完成！");

    Console.ReadLine();
}

// 工作线程Event
private static AutoResetEvent _workerEvent = new AutoResetEvent(false);
// 主线程Event
private static AutoResetEvent _mainEvent = new AutoResetEvent(false);

static void Process(int seconds)
{
    Console.WriteLine("开始长时间的工作...");
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
    Console.WriteLine("工作完成!");

    // 发送通知 主线程继续运行
    _workerEvent.Set();
    Console.WriteLine("等待主线程完成其它工作");

    // 等待主线程通知 工作线程阻塞
    _mainEvent.WaitOne();
    Console.WriteLine("启动第二次操作...");
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
    Console.WriteLine("工作完成!");

    // 发送通知 主线程继续运行
    _workerEvent.Set();
}

运行结果如下图所示，与预期结果符合。

1533286221209

1.6 使用ManualResetEventSlim类

ManualResetEventSlim使用和ManualResetEvent类基本一致，只是ManualResetEventSlim工作在混合模式下，而它与AutoResetEventSlim不同的地方就是需要手动重置事件，也就是调用Reset()才能将事件重置为false。

演示代码如下，形象的将ManualResetEventSlim比喻成大门，当事件为true时大门打开，线程解除阻塞；而事件为false时大门关闭，线程阻塞。

static void Main(string[] args)
        {
            var t1 = new Thread(() => TravelThroughGates("Thread 1", 5));
            var t2 = new Thread(() => TravelThroughGates("Thread 2", 6));
            var t3 = new Thread(() => TravelThroughGates("Thread 3", 12));
            t1.Start();
            t2.Start();
            t3.Start();

            // 休眠6秒钟  只有Thread 1小于 6秒钟，所以事件重置时 Thread 1 肯定能进入大门  而 Thread 2 可能可以进入大门
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(6));
            Console.WriteLine($"大门现在打开了!  时间：{DateTime.Now.ToString("mm:ss.ffff")}");
            _mainEvent.Set();

            // 休眠2秒钟 此时 Thread 2 肯定可以进入大门
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
            _mainEvent.Reset();
            Console.WriteLine($"大门现在关闭了! 时间：{DateTime.Now.ToString("mm: ss.ffff")}");

            // 休眠10秒钟 Thread 3 可以进入大门
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(10));
            Console.WriteLine($"大门现在第二次打开! 时间：{DateTime.Now.ToString("mm: ss.ffff")}");
            _mainEvent.Set();
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));

            Console.WriteLine($"大门现在关闭了! 时间：{DateTime.Now.ToString("mm: ss.ffff")}");
            _mainEvent.Reset();

            Console.ReadLine();
        }

        static void TravelThroughGates(string threadName, int seconds)
        {
            Console.WriteLine($"{threadName} 进入睡眠 时间：{DateTime.Now.ToString("mm:ss.ffff")}");
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));

            Console.WriteLine($"{threadName} 等待大门打开! 时间：{DateTime.Now.ToString("mm:ss.ffff")}");
            _mainEvent.Wait();

            Console.WriteLine($"{threadName} 进入大门! 时间：{DateTime.Now.ToString("mm:ss.ffff")}");
        }

        static ManualResetEventSlim _mainEvent = new ManualResetEventSlim(false);

运行结果如下，与预期结果相符。

1533287222335

1.7 使用CountDownEvent类

CountDownEvent类内部构造使用了一个ManualResetEventSlim对象。这个构造阻塞一个线程，直到它内部计数器(CurrentCount)变为0时，才解除阻塞。也就是说它并不是阻止对已经枯竭的资源池的访问，而是只有当计数为0时才允许访问。

这里需要注意的是，当CurrentCount变为0时，那么它就不能被更改了。为0以后，Wait()方法的阻塞被解除。

演示代码如下所示，只有当Signal()方法被调用2次以后，Wait()方法的阻塞才被解除。

static void Main(string[] args)
{
    Console.WriteLine($"开始两个操作  {DateTime.Now.ToString("mm:ss.ffff")}");
    var t1 = new Thread(() => PerformOperation("操作 1 完成！", 4));
    var t2 = new Thread(() => PerformOperation("操作 2 完成！", 8));
    t1.Start();
    t2.Start();

    // 等待操作完成
    _countdown.Wait();
    Console.WriteLine($"所有操作都完成  {DateTime.Now.ToString("mm: ss.ffff")}");
    _countdown.Dispose();

    Console.ReadLine();
}

// 构造函数的参数为2 表示只有调用了两次 Signal方法 CurrentCount 为 0时  Wait的阻塞才解除
static CountdownEvent _countdown = new CountdownEvent(2);

static void PerformOperation(string message, int seconds)
{
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
    Console.WriteLine($"{message}  {DateTime.Now.ToString("mm:ss.ffff")}");

    // CurrentCount 递减 1
    _countdown.Signal();
}

运行结果如下图所示，可见只有当操作1和操作2都完成以后，才执行输出所有操作都完成。

1533296843834

1.8 使用Barrier类

Barrier类用于解决一个非常稀有的问题，平时一般用不上。Barrier类控制一系列线程进行阶段性的并行工作。

假设现在并行工作分为2个阶段，每个线程在完成它自己那部分阶段1的工作后，必须停下来等待其它线程完成阶段1的工作；等所有线程均完成阶段1工作后，每个线程又开始运行，完成阶段2工作，等待其它线程全部完成阶段2工作后，整个流程才结束。

演示代码如下所示，该代码演示了两个线程分阶段的完成工作。

static void Main(string[] args)
{
    var t1 = new Thread(() => PlayMusic("钢琴家", "演奏一首令人惊叹的独奏曲", 5));
    var t2 = new Thread(() => PlayMusic("歌手", "唱着他的歌", 2));

    t1.Start();
    t2.Start();

    Console.ReadLine();
}

static Barrier _barrier = new Barrier(2,
 Console.WriteLine($"第 {b.CurrentPhaseNumber + 1} 阶段结束"));

static void PlayMusic(string name, string message, int seconds)
{
    for (int i = 1; i < 3; i++)
    {
        Console.WriteLine("----------------------------------------------");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
        Console.WriteLine($"{name} 开始 {message}");
        Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(seconds));
        Console.WriteLine($"{name} 结束 {message}");
        _barrier.SignalAndWait();
    }
}

运行结果如下所示，当“歌手”线程完成后，并没有马上结束，而是等待“钢琴家”线程结束，当"钢琴家"线程结束后，才开始第2阶段的工作。

1533297859508

1.9 使用ReaderWriterLockSlim类

ReaderWriterLockSlim类主要是解决在某些场景下，读操作多于写操作而使用某些互斥锁当多个线程同时访问资源时，只有一个线程能访问，导致性能急剧下降。

如果所有线程都希望以只读的方式访问数据，就根本没有必要阻塞它们；如果一个线程希望修改数据，那么这个线程才需要独占访问，这就是ReaderWriterLockSlim的典型应用场景。这个类就像下面这样来控制线程。

一个线程向数据写入是，请求访问的其他所有线程都被阻塞。

一个线程读取数据时，请求读取的线程允许读取，而请求写入的线程被阻塞。

写入线程结束后，要么解除一个写入线程的阻塞，使写入线程能向数据接入，要么解除所有读取线程的阻塞，使它们能并发读取数据。如果线程没有被阻塞，锁就可以进入自由使用的状态，可供下一个读线程或写线程获取。

从数据读取的所有线程结束后，一个写线程被解除阻塞，使它能向数据写入。如果线程没有被阻塞，锁就可以进入自由使用的状态，可供下一个读线程或写线程获取。

ReaderWriterLockSlim还支持从读线程升级为写线程的操作，详情请戳一戳。文本不作介绍。ReaderWriterLock类已经过时，而且存在许多问题，没有必要去使用。

示例代码如下所示，创建了3个读线程，2个写线程，读线程和写线程竞争获取锁。

static void Main(string[] args)
{
    // 创建3个 读线程
    new Thread(() => Read("Reader 1")) { IsBackground = true }.Start();
    new Thread(() => Read("Reader 2")) { IsBackground = true }.Start();
    new Thread(() => Read("Reader 3")) { IsBackground = true }.Start();

    // 创建两个写线程
    new Thread(() => Write("Writer 1")) { IsBackground = true }.Start();
    new Thread(() => Write("Writer 2")) { IsBackground = true }.Start();

    // 使程序运行30S
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(30));

    Console.ReadLine();
}

static ReaderWriterLockSlim _rw = new ReaderWriterLockSlim();
static Dictionary<int, int> _items = new Dictionary<int, int>();

static void Read(string threadName)
{
    while (true)
    {
        try
        {
            // 获取读锁定
            _rw.EnterReadLock();
            Console.WriteLine($"{threadName} 从字典中读取内容  {DateTime.Now.ToString("mm:ss.ffff")}");
            foreach (var key in _items.Keys)
            {
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.1));
            }
        }
        finally
        {
            // 释放读锁定
            _rw.ExitReadLock();
        }
    }
}

static void Write(string threadName)
{
    while (true)
    {
        try
        {
            int newKey = new Random().Next(250);
            // 尝试进入可升级锁模式状态
            _rw.EnterUpgradeableReadLock();
            if (!_items.ContainsKey(newKey))
            {
                try
                {
                    // 获取写锁定
                    _rw.EnterWriteLock();
                    _items[newKey] = 1;
                    Console.WriteLine($"{threadName} 将新的键 {newKey} 添加进入字典中  {DateTime.Now.ToString("mm:ss.ffff")}");
                }
                finally
                {
                    // 释放写锁定
                    _rw.ExitWriteLock();
                }
            }
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(0.1));
        }
        finally
        {
            // 减少可升级模式递归计数，并在计数为0时  推出可升级模式
            _rw.ExitUpgradeableReadLock();
        }
    }
}

运行结果如下所示，与预期结果相符。

1533301318169

1.10 使用SpinWait类

SpinWait是一个常用的混合模式的类，它被设计成使用用户模式等待一段时间，人后切换至内核模式以节省CPU时间。

它的使用非常简单，演示代码如下所示。

static void Main(string[] args)
{
    var t1 = new Thread(UserModeWait);
    var t2 = new Thread(HybridSpinWait);

    Console.WriteLine("运行在用户模式下");
    t1.Start();
    Thread.Sleep(20);
    _isCompleted = true;
    Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
    _isCompleted = false;

    Console.WriteLine("运行在混合模式下");
    t2.Start();
    Thread.Sleep(5);
    _isCompleted = true;

    Console.ReadLine();
}

static volatile bool _isCompleted = false;

static void UserModeWait()
{
    while (!_isCompleted)
    {
        Console.Write(".");
    }
    Console.WriteLine();
    Console.WriteLine("等待结束");
}

static void HybridSpinWait()
{
    var w = new SpinWait();
    while (!_isCompleted)
    {
        w.SpinOnce();
        Console.WriteLine(w.NextSpinWillYield);
    }
    Console.WriteLine("等待结束");
}

运行结果如下两图所示，首先程序运行在模拟的用户模式下，使CPU有一个短暂的峰值。然后使用SpinWait工作在混合模式下，首先标志变量为False处于用户模式自旋中，等待以后进入内核模式。

1533302799590

1533302772242

参考书籍

本文主要参考了以下几本书，在此对这些作者表示由衷的感谢你们提供了这么好的资料。

《CLR via C#》

《C# in Depth Third Edition》

《Essential C# 6.0》

《Multithreading with C# Cookbook Second Edition》

源码下载点击链接 示例源码下载

C#多线程编程系列（三）- 线程同步

1.1 简介

1.2 执行基本原子操作

1.3 使用Mutex类

1.4 使用SemaphoreSlim类

1.5 使用AutoResetEvent类

1.6 使用ManualResetEventSlim类

1.7 使用CountDownEvent类

1.8 使用Barrier类

1.9 使用ReaderWriterLockSlim类

1.10 使用SpinWait类

参考书籍

笔者水平有限，如果错误欢迎各位批评指正！

热门文章

最新文章

相关电子书

热门

活动广场

任务中心

开发者评测

高校计划

乘风者计划

训练营

阿里云MVP

话题

直播

下载

镜像站

技术资料

插件

C#多线程编程系列（三）- 线程同步

1.1 简介

1.2 执行基本原子操作

1.3 使用Mutex类

1.4 使用SemaphoreSlim类

1.5 使用AutoResetEvent类

1.6 使用ManualResetEventSlim类

1.7 使用CountDownEvent类

1.8 使用Barrier类

1.9 使用ReaderWriterLockSlim类

1.10 使用SpinWait类

参考书籍

笔者水平有限，如果错误欢迎各位批评指正！

热门文章

最新文章

相关电子书