线程同步 – lock和Monitor-白红宇

线程同步 – lock和Monitor

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发布时间：2019-06-22

本文共 11959 字，大约阅读时间需要 39 分钟。

在多线程代码中，多个线程可能会访问一些公共的资源（变量、方法逻辑等等），这些公共资源称为临界区（共享区）；临界区的资源是不安全，所以需要通过线程同步对多个访问临界区的线程进行控制。

同样，有些时候我们需要多个线程按照特定的顺序执行，这时候，我们也需要进行线程同步。

下面，我们就看看C#中通过lock和Monitor进行线程同步。

lock关键字

lock是一种非常简单而且经常使用的线程同步方式，lock 关键字将语句块标记为临界区。 lock 确保当一个线程位于代码的临界区时，另一个线程不能进入临界区。如果其他线程试图进入锁定的代码，则它将一直等待，直到该对象被释放。

下面看一个简单的例子：

namespace LockTest{    class PrintNum    {        private object lockObj = new object();        public void PrintOddNum()        {            lock (lockObj)            {                Console.WriteLine("Print Odd numbers:");                for (int i = 0; i < 10; i++)                {                    if(i%2 != 0)                        Console.Write(i);                    Thread.Sleep(100);                }                Console.WriteLine();            }        }    }    class Program    {        static void Main(string[] args)        {            PrintNum printNum = new PrintNum();            for (int i = 0; i < 3; i++)            {                Thread temp = new Thread(new ThreadStart(printNum.PrintOddNum));                temp.Start();            }            Console.Read();        }    }}

这段代码比较容易理解，我们通过lock关键字把打印奇数的逻辑包在了临界区中，这样就可以保证同时只用一个线程执行临界区中的逻辑，代码打印如下：

使用lock的注意点

lock关键字的使用还是比较简单的，但是使用lock的时候还是有一些需要注意的地方。lock关键字可以锁住任何object类型及其派生类，但是尽量不要用public 类型的，否则实例将超出代码的控制范围。根据MSDN，常见的结构 lock (this)、lock (typeof (MyType)) 和 lock ("myLock") 违反此准则：

如果实例可以被公共访问，将出现 lock (this) 问题。

如果 MyType 可以被公共访问，将出现 lock (typeof (MyType)) 问题。

由于进程中使用同一字符串的任何其他代码将共享同一个锁，所以出现 lock("myLock") 问题。

下面举个例子看看lock(this)的问题，假如我们把PrintOddNum中改成lock(this)，并且在主线程中使用lock (printNum)。

namespace LockTest{    class PrintNum    {        private object lockObj = new object();        public void PrintOddNum()        {            lock (this)            {                Console.WriteLine("Print Odd numbers:");                for (int i = 0; i < 10; i++)                {                    if (i % 2 != 0)                        Console.Write(i);                    Thread.Sleep(100);                }                Console.WriteLine();            }        }    }    class Program    {        static void Main(string[] args)        {            PrintNum printNum = new PrintNum();            for (int i = 0; i < 3; i++)            {                Thread temp = new Thread(new ThreadStart(printNum.PrintOddNum));                temp.Start();            }            lock (printNum)            {                Thread.Sleep(5000);                Console.WriteLine("Main thread will delay 5 seconds");            }            Console.Read();        }    }}

代码的输出可能如下，因为Main函数和PrintNum类型中都对printNum对象进行了加锁，所以当主线程获得了互斥锁之后，其他子线程都被block住了，没有办法执行PrintOddNum方法了。

所以说，最好定义 private 对象或 private static 对象进行上锁，从而保护所有实例所共有的数据。

lock的本质

lock关键字其实是一个语法糖，如果过查看IL代码，会发现lock 调用块开始位置为Monitor::Enter，块结束位置为Monitor::Exit。

为了保证Exit方法肯定会被调用，还专门用了一个try/finally语句块，这样即使代码出现了异常，也能保证Monitor::Exit能够被调用到。

.try    {        IL_0003: ldarg.0        IL_0004: ldfld object LockTest.PrintNum::lockObj        IL_0009: dup        IL_000a: stloc.2        IL_000b: ldloca.s '<>s__LockTaken0'        IL_000d: call void [mscorlib]System.Threading.Monitor::Enter(object, bool&)        IL_0012: nop        IL_0013: nop        IL_0014: ldstr "Print Odd numbers:"        IL_0019: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)        ……        IL_0052: leave.s IL_0064    } // end .try    finally    {        IL_0054: ldloc.1        IL_0055: ldc.i4.0        IL_0056: ceq        IL_0058: stloc.3        IL_0059: ldloc.3        IL_005a: brtrue.s IL_0063        IL_005c: ldloc.2        IL_005d: call void [mscorlib]System.Threading.Monitor::Exit(object)        IL_0062: nop        IL_0063: endfinally    } // end handler

那么下面我们就看看如何通过Monitor来进行线程同步。

Monitor类型

Monitor类通过互斥锁来进行对共享区的同步，当一个线程进入共享区时，会取得互斥锁的控制权，其他线程则必须等待。

前面了解到了，lock关键字就是一个语法糖，实际上lock使用的就是Monitor类型的Enter和Exit方法。很多情况下lock就可以满足需求了，但是当我们需要更进一步的线程同步时，就需要使用Monitor类型了。

下面看看Monitor类型的主要方法：

public static void Enter(object obj);
- 在指定对象上获取互斥锁

public static void Exit(object obj);
- 释放指定对象上的互斥锁

public static void Pulse(object obj);
- 通知等待队列中的线程锁定对象状态的更改

public static bool TryEnter(object obj);
- 试图获取指定对象的互斥锁，如果获得了互斥锁就返回true；否则返回false
- TryEnter(Object, Int32)形式，表示在指定的毫秒数内尝试获取指定对象上的互斥锁

public static bool Wait(object obj);
- 释放对象上的锁并阻止当前线程，直到它重新获取该锁

对于Enter和Exit，就不进行更多的介绍了，下面看看Pulse、Wait和TryEnter的使用。

Pulse和Wait

上面对Pulse和Wait方法的介绍还是很抽象的，下面进一步了解Pulse和Wait。

Wait：当线程调用 Wait 时，它释放对象的锁并进入等待队列。对象的就绪队列中的下一个线程（如果有）获取锁并拥有对对象的独占使用。所有调用 Wait 的线程都将留在等待队列中，直到它们接收到由锁的所有者发送的 Pulse 或 PulseAll 的信号为止。

Pulse：只有锁的当前所有者可以使用 Pulse 向等待对象发出信号。如果发送了 Pulse，则只影响位于等待队列最前面的线程。如果发送了 PulseAll，则将影响正等待该对象的所有线程。接收到信号后，一个或多个线程将离开等待队列而进入就绪队列。在调用 Pulse 的线程释放锁后，就绪队列中的下一个线程（不一定是接收到脉冲的线程）将获得该锁。

使用注意事项：

在使用Enter和Exit方法的时候，建议像lock的IL代码一样，使用try/finally语句块对Enter和Exit进行包装。

Pulse 、PulseAll 和 Wait 方法必须从同步的代码块内调用。

在使用Pulse/Wait进行线程同步的时候，一定要牢记，Monitor 类不对指示 Pulse 方法已被调用的状态进行维护。因此，如果在没有等待线程时调用 Pulse，则下一个调用 Wait 的线程将阻止，似乎 Pulse 从未被调用过。如果两个线程正在使用 Pulse 和 Wait 交互，则可能导致死锁。

下面看一个例子，模拟一个回合制的对打游戏，超人大战蜘蛛侠，通过Pulse/Wait，保证两人交替出招。

namespace MointorTest{    class GamePlayer    {        public string PlayerName { get; set; }        public string EnemyName { get; set; }    }    class Program    {        private static object monitorObj = new object();        private static int bloodAttack = 0;        static void Main(string[] args)        {            GamePlayer spiderMan = new GamePlayer { PlayerName = "Spider Man", EnemyName = "Super Man" };            Thread spiderManThread = new Thread(new ParameterizedThreadStart(GameAttack));            GamePlayer superMan = new GamePlayer { PlayerName = "Super Man", EnemyName = "Spider Man" };            Thread superManThread = new Thread(new ParameterizedThreadStart(GameAttack));            spiderManThread.Start(spiderMan);            superManThread.Start(superMan);            spiderManThread.Join();            superManThread.Join();            Console.WriteLine("Game Over");            Console.Read();        }        public static void GameAttack(object param)        {            GamePlayer gamePlayer = (GamePlayer)param;                        try            {           Monitor.Enter(monitorObj);                int blood = 100;                Random ran = new Random();                while (blood > 0 && bloodAttack >= 0)                {                    blood -= bloodAttack;                    if (blood > 0)                    {                        bloodAttack = ran.Next(100);                        Console.WriteLine("{0}'s blood is {1}, attack {2} {3}", gamePlayer.PlayerName, blood, gamePlayer.EnemyName, bloodAttack);                    }                    else                    {                        Console.WriteLine("{0} is dead!!!", gamePlayer.PlayerName);                        bloodAttack = -1;                    }                    Thread.Sleep(1000);                    Monitor.Pulse(monitorObj);                    Monitor.Wait(monitorObj);                }            }            finally            {                Monitor.PulseAll(monitorObj);                Monitor.Exit(monitorObj);            }        }    }}

代码的输出为下，注意在finally语句块中加入了"Monitor.PulseAll(monitorObj);"，这样可以确保最后一次在等待队列中的线程可以顺利执行到最后。

TryEnter避免死等

当我们使用lock的时候，没有获得互斥锁的线程会一直等待，知道该线程获得互斥锁为止。这样就产生了线程死等的现象。

但是，在Monitor类型中，有了一个TryEnter(Object, Int32)方法，线程会尝试等待一段时间来获取互斥锁，如果超时仍未获得互斥锁，那么该方法就会返回false。

下面看一个例子：

namespace MointorTest{    class Program    {        private static object monitorObj = new object();        static void Main(string[] args)        {            Thread firstThread = new Thread(new ThreadStart(TryEnterTest));            firstThread.Name = "firstThread";            Thread secondThread = new Thread(new ThreadStart(TryEnterTest));            secondThread.Name = "secondThread";            firstThread.Start();            secondThread.Start();            Console.Read();        }        public static void TryEnterTest()        {            if (!Monitor.TryEnter(monitorObj, 5000))            {                Console.WriteLine("Thread {0} wait 5 seconds, didn't get the lock", Thread.CurrentThread.Name);                Console.WriteLine("Thread {0} completed!", Thread.CurrentThread.Name);                return;            }            try            {           Monitor.Enter(monitorObj);                Console.WriteLine("Thread {0} get the lock and will run 10 seconds", Thread.CurrentThread.Name);                Thread.Sleep(10000);                Console.WriteLine("Thread {0} completed!", Thread.CurrentThread.Name);            }            finally            {                Monitor.Exit(monitorObj);            }        }    }}

代码的输出为下，secondThread首先获得了互斥锁，并且会执行10秒钟；然后firstThread会等待5秒钟，仍然获取互斥锁失败。

为了对比演示，也可以把代码中"Thread.Sleep(10000);"换成"Thread.Sleep(2000);"，这样就可以看到等待5秒钟，并且获取互斥锁成功的输出了。

例子：通过Monitor实现互斥Queue

为了进一步熟悉Monitor的使用，下面看一个互斥Queue的例子，producer和consumer可以通过多线程的方式访问互斥Queue。

namespace BlockingQueue{    class BlockingQueue
     
          {        private object lockObj = new object();        public int QueueSize { get; set; }        private Queue
      
        queue;                public BlockingQueue()        {            this.queue = new Queue
       
        (this.QueueSize);        }        public bool EnQueue(T item)        {            lock (lockObj)            {                while (this.queue.Count() >= this.QueueSize)                {                    Monitor.Wait(lockObj);                }                this.queue.Enqueue(item);                Console.WriteLine("---> 0000" + item.ToString());                Monitor.PulseAll(lockObj);            }            return true;        }        public bool DeQueue(out T item)        {            lock (lockObj)            {                while (this.queue.Count() == 0)                {                    if (!Monitor.Wait(lockObj, 3000))                    {                        item = default(T);                        return false;                    };                }                item = this.queue.Dequeue();                Console.WriteLine("     0000" + item + " <---");                Monitor.PulseAll(lockObj);            }            return true;        }    }    class Program    {        static void Main(string[] args)        {            BlockingQueue
        
          bQueue = new BlockingQueue
         
          ();            bQueue.QueueSize = 3;            Random ran = new Random();            //producer            new Thread(            () => {                for (int i = 0; i < 5; i++)                {                    Thread.Sleep(ran.Next(1000));                    bQueue.EnQueue(i.ToString());                                    }                Console.WriteLine("producer quit!");            }).Start();            //producer            new Thread(            () =>            {                for (int i = 5; i < 10; i++)                {                    Thread.Sleep(ran.Next(1000));                    bQueue.EnQueue(i.ToString());                }                Console.WriteLine("producer quit!");            }).Start();            //consumer            new Thread(            () =>            {                while (true)                {                    Thread.Sleep(ran.Next(1000));                    string item = string.Empty;                    if (!bQueue.DeQueue(out item))                    {                        break;                    };                }                Console.WriteLine("consumer quit!");            }).Start();            Console.Read();        }    }}