一文看懂.Net线程同步技术 lock(Monitor) vs Mutex vs Semaphore vs SemaphoreSlim

  • 2019 年 10 月 30 日
  • 筆記

C#开发者（面试者）都会遇到lock(Monitor)，Mutex，Semaphore，SemaphoreSlim这四个与锁相关的C#类型，本文期望以最简洁明了的方式阐述四种对象的区别。

什么叫线程安全？

教条式理解

如果代码在多线程环境中运行的结果与 单线程运行结果一样，其他变量值也和预期是一样的，那么线程就是安全的；

线程不安全就是不提供数据访问保护，可能出现多个线程先后修改数据造成的结果是脏数据。

实际场景理解 

两个线程都为集合增加元素，我们错误的理解即使是多线程也总有先后顺序吧，集合的两个位置先后塞进去就完了；实际上集合增加元素这个行为看起来简单，实际并不一定是原子操作。

在添加一个元素的时候，它可能会有两步来完成：

  1. 在 Items[Size] 的位置存放此元素；
  2. 增大 Size 的值。

  • 在单线程运行的情况下，如果 Size = 0，添加一个元素后，此元素在位置0，之后设置Size=1；

  • 如果是在多线程场景下，有两个线程，线程A先将元素存放在位置0，但是此时CPU调度线程A暂停，线程B得到运行机会；线程B也向此ArrayList添加元素，因为此时Size仍然等于0 （注意哦，我们假设添加元素是经过两个步骤，而线程A仅仅完成了步骤1），所以线程B也将元素存放在位置0。然后线程A和线程B都继续运行，都增加 Size 的值。 那好，我们来看看ArrayList的情况，元素实际上只有一个，存放在位置 0，而Size却等于2，形成了脏数据，这种就定义为对ArrayList的新增元素操作是线程不安全的。

线程安全这个问题不单单存在于集合类，我们始终要记得：
Never ever modify a shared resource by multipie threads unless resource is thread-safe.

    • 我们对SqlServer，Mongodb，对HttpContext的访问都会涉及thread-safe, 利用C# mongodb driver操作Mongo打包时常用操作是线程安全的，Only a few of the C# Driver classes are thread safe. Among them: MongoServer, MongoDatabase, MongoCollection and MongoGridFS.

    • 对于HttpContext 静态属性的操作是线程安全的： Any public static members of this type （HttpContext） are thread safe， any instance members are not guaranteed to be thread safe. 我们常用的是HttpContext.Current

各语言推出了适用于不同范围的线程同步技术来预防以上脏数据（实现线程安全）。

C#线程同步技术

话不多说， 给出大图：

四象限对象的区别：

该线程同步技术

　　-  支持线程进入的个数

       –  是否跨进程支持 

其中

 ① lock  vs Monitor

最常用的lock关键字，能在多线程环境下确保只有一个线程在执行 {被保护的代码}，其他线程则必须等待进入的线程完成工作代码。

上图将lock和Monitor放在一起，是因为lock是Monitor的语法糖，实际的编译代码如下：

bool lockTaken = false;  try  {    Monitor.Enter(obj, ref lockTaken);    //...  }  finally  {    if (lockTaken) Monitor.Exit(obj);  }

 ② lock（Monitor）vs Mutex（中文称为互斥锁，互斥元）

lock/Monitor 维护进程内线程的安全性，Mutex 维护跨进程的线程安全性。

这2个对象都只支持单线程进入指定代码。

 ③ SemaphoreSlim  vs Semaphore 

 中文都称为信号量，根据对象初始化的配置，能够允许单个或多个线程进入保护代码。

信号量使多个并发线程可以访问共享资源（最大为您指定的最大数量），当线程请求访问资源时，信号量计数递减，而当它们释放资源时，信号量计数又递增。

SemaphoreSlim 是一个轻量级的，由CRL支持的进程内信号量。

 右侧Mutex 和Semaphore 都是内核对象，可以看到他们都继承自WaitHandle对象，

 左侧Monitor，SemaphoreSlim是.NET CLR对象,

④ Monitor  vs SemaphoreSlim

  两者都是进程内线程同步技术，SemaphoreSlim信号量支持多线程进入；

 另外SemaphoreSlim 有异步等待方法，支持在异步代码中线程同步， 能解决在async code中无法使用lock语法糖的问题;

// 实例化单信号量  static SemaphoreSlim semaphoreSlim = new SemaphoreSlim(1,1);    // 异步等待进入信号量，如果没有线程被授予对信号量的访问权限，则进入执行保护代码；否则此线程将在此处等待，直到信号量被释放为止  await semaphoreSlim.WaitAsync();  try  {      await Task.Delay(1000);  }  finally  {      // 任务准备就绪后，释放信号灯。【准备就绪时始终释放信号量】至关重要，否则我们将获得永远被锁定的信号量
    // 这就是为什么在try ... finally子句中进行发布很重要的原因；程序执行可能会崩溃或采用其他路径，这样可以保证执行      semaphoreSlim.Release();  }

从目前看跨进程线程同步很少见，倒是分布式锁越来越多常见了。

总结：

文章没有讲述每个对象使用方式，自行看MSDN doc。从象限图中快速知晓 这4种线程同步技术的区别：

–   是否支持跨进程线程同步

–   是否支持多线程进入被保护代码。

从宏观上了解四个对象的区别对于【线程同步】知识体系的形成是有帮助的。

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