C#多线程编程中的锁系统基本用法

2020-01-24 02:00:53

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供稿：网友

平常在多线程开发中，总避免不了线程同步。本篇就对net多线程中的锁系统做个简单描述。

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一：lock、Monitor
     1：基础。
     2: 作用域。
     3：字符串锁。
     4：monitor使用
二：mutex
三：Semaphore
四：总结

一：lock、Monitor

1：基础

Lock是Monitor语法糖简化写法。Lock在IL会生成Monitor。

复制代码代码如下:

//======Example 1=====
            string obj = "helloworld";
            lock (obj)
            {
                Console.WriteLine(obj);
            }
            //lock  IL会编译成如下写法
            bool isGetLock = false;
            Monitor.Enter(obj, ref isGetLock);
            try
            {
                Console.WriteLine(obj);
            }
            finally
            {
                if (isGetLock)
                {
                    Monitor.Exit(obj);
                }
            }

isGetLock参数是Framework 4.0后新加的。为了使程序在所有情况下都能够确定，是否有必要释放锁。例: Monitor.Enter拿不到锁

Monitor.Enter 是可以锁值类型的。锁时会装箱成新对象，所以无法做到线程同步。

2：作用域

一：Lock是只能在进程内锁，不能跨进程。走的是混合构造，先自旋再转成内核构造。

二：关于对type类型的锁。如下：

复制代码代码如下:

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

运行结果如下：

我们在来看个例子。

复制代码代码如下:

//======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>
    /// 跨应用程序域边界或远程访问时需要继承MarshalByRefObject
    /// </summary>
    public class LockTest : MarshalByRefObject
    {
        public void Run()
        {
            lock (typeof(int))
            {
                Thread.Sleep(10000);
                Console.WriteLine(AppDomain.CurrentDomain.FriendlyName + ": Thread 释放," + DateTime.Now);
            }
        }
    }

运行结果如下：

第一个例子说明，在同进程同域，不同线程下，锁type int，其实锁的是同一个int对象。所以要慎用。

第二个例子，这里就简单说下。

A: CLR启动时，会创建系统域（System Domain）和共享域（Shared Domain），默认程序域（Default AppDomain）。系统域和共享域是单例的。程序域可以有多个，例子中我们使用AppDomain.CreateDomain方法创建的。

B: 按正常来说，每个程序域的代码都是隔离，互不影响的。但对于一些基础类型来说，每个程序域都重新加载一份，就显得有点浪费，带来额外的损耗压力。聪明的CLR会把一些基本类型Object, ValueType, Array, Enum, String, and Delegate等所在的程序集MSCorLib.dll，在CLR启动过程中都会加载到共享域。每个程序域都会使用共享域的基础类型实例。

C: 而每个程序域都有属于自己的托管堆。托管堆中最重要的是GC heap和Loader heap。GC heap用于引用类型实例的存储，生命周期管理和垃圾回收。Loader heap保存类型系统，如MethodTable，数据结构等，Loader heap生命周期不受GC管理，跟程序域卸载有关。

所以共享域中Loader heap MSCorLib.dll中的int实例会一直保留着，直到进程结束。单个程序域卸载也不受影响。作用域很大有没有！！！

这时第二个例子也很容易理解了。锁int实例是跨程序域的，MSCorLib中的基础类型都是这样。极容易造成死锁，慎用。而自定义类型则会加载到自己的程序域，不会影响别人。

3：字符串的锁

我们都知道锁的目的，是为了多线程下值被破坏。也知道string在c#是个特殊对象，值是不变的，每次变动都是一个新对象值，这也是推荐stringbuilder原因。如例：

复制代码代码如下:

//======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#中字符串的这种特性，所以字符串是在多线程下是不会被修改的，只读的。它存在于SystemDomain域中managed heap中的一个hash table中。Key为string本身，Value为string对象的地址。

当程序域需要一个string的时候，CLR首先在这个Hashtable根据这个string的hash code试着找对应的Item。如果成功找到，则直接把对应的引用返回，否则就在SystemDomain对应的managed heap中创建该 string，并加入到hash table中，并把引用返回。所以说字符串的生命周期是基于整个进程的，也是跨AppDomain。

4：monitor用法

介绍下Wait，Pulse,PulseAll的用法。有注释，大家直接看代码吧。

复制代码代码如下:

static string str = "mushroom";
        static void Main(string[] args)
        {
            new Thread(() =>
            {
                bool isGetLock = false;
                Monitor.Enter(str, ref isGetLock);
                try
                {
                    Console.WriteLine("Thread1第一次获取锁");
                    Thread.Sleep(5000);
                    Console.WriteLine("Thread1暂时释放锁，并等待其他线程释放通知信号。");
                    Monitor.Wait(str);
                    Console.WriteLine("Thread1接到通知,第二次获取锁。");
                    Thread.Sleep(1000);
                }
                finally
                {
                    if (isGetLock)
                    {
                        Monitor.Exit(str);
                        Console.WriteLine("Thread1释放锁");
                    }
                }
            }).Start();
            Thread.Sleep(1000);
            new Thread(() =>
            {
                bool isGetLock = false;
                Monitor.Enter(str, ref isGetLock); //一直等待中，直到其他释放。
                try
                {
                    Console.WriteLine("Thread2获得锁");
                    Thread.Sleep(5000);
                    Monitor.Pulse(str); //通知队列里一个线程，改变锁状态。 Pulseall 通知所有的
                    Console.WriteLine("Thread2通知其他线程，改变状态。");
                    Thread.Sleep(1000);
                }
                finally
                {
                    if (isGetLock)
                    {
                        Monitor.Exit(str);
                        Console.WriteLine("Thread2释放锁");
                    }
                }

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

二：mutex

lock是不能跨进程锁的。 mutex作用和lock类似，但是它能跨进程锁资源(走的是windows内核构造)。我们来看个例子

复制代码代码如下:

static bool createNew = false;
        //第一个参数是否应拥有互斥体的初始所属权。即createNew true时，mutex默认获得处理信号
        //第二个是名字，第三个是否成功。
        public static Mutex mutex = new Mutex(true, "mushroom.mutex", out createNew);

        static void Main(string[] args)
        {
            //======Example 5=====
            if (createNew) //第一个创建成功，这时候已经拿到锁了。无需再WaitOne了。一定要注意。
            {
                try
                {
                    Run();
                }
                finally
                {
                    mutex.ReleaseMutex(); //释放当前锁。
                }
            }
            //WaitOne 函数作用是阻止当前线程，直到拿到收到其他实例释放的处理信号。
            //第一个参数是等待超时时间，第二个是否退出上下文同步域。
            else if (mutex.WaitOne(10000,false))//
            {
                try
                {
                    Run();
                }
                finally
                {
                    mutex.ReleaseMutex();
                }
            }
            else//如果没有发现处理信号
            {
                Console.WriteLine("已经有实例了。");
                Console.ReadLine();
            }
        }
        static void Run()
        {
            Console.WriteLine("实例1");
            Console.ReadLine();
        }

我们顺序起A B实例测试下。 A首先拿到锁，输出实例1 。 B在等待，如果10秒内A释放，B拿到执行Run()。超时后输出已经有实例了。

这里注意的是第一个拿到处理信号的实例，已经拿到锁了。不需要再WaitOne。否则报异常。

三：Semaphore

即信号量，我们可以把它理解为升级版的mutex。mutex对一个资源进行锁，semaphore则是对多个资源进行加锁。

semaphore是由windows内核维持一个int32变量的线程计数器，线程每调用一次、计数器减一、释放后对应加一，超出的线程则排队等候。

走的是内核构造，所以semaphore也是可以跨进程的。

复制代码代码如下:

static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine("准备处理队列");

bool createNew = false;

            SemaphoreSecurity ss = new SemaphoreSecurity(); //信号量权限控制
            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 + "处理中");
                    Thread.Sleep(10000);
                    semaphore.Release(); //即semaphore.Release(1)
                    //semaphore.Release(5);可以释放多个，但不能超过最大值。如果最后释放的总量超过本身总量，也会报错。不建议使用

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

四：总结

mutex、Semaphore 需要由托管代码转成本地用户模式代码、再转换为本地内核代码。

反之同样，饶了一大圈，性能肯定不会很好。所以仅在需要跨进程的场景才使用。

上一篇：C#多线程编程中的锁系统（二）

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