多线程和异步

导读

C# 中，可以使用 lock 关键字和 Monitor 类来解决多线程锁定资源和死锁的问题。

官方解释：lock 语句获取给定对象的互斥 lock，执行语句块，然后释放 lock。

下面我们将来探究 lock 关键字和 Monitor 类的使用。

Lock

lock 用于读一个引用类型进行加锁，同一时刻内只有一个线程能够访问此对象。lock 是语法糖，是通过 Monitor 来实现的。

Lock 锁定的对象，应该是静态的引用类型（字符串除外）。

实际上字符串也可以作为锁的对象使用，只是由于字符串对象的特殊性，可能会造成不同位置的不同线程冲突。如果你能保证字符串的唯一性，例如 Guid 生成的字符串，也是可以作为锁的对象使用的(但不建议)。锁的对象也不一定要静态才行，也可以通过类实例的成员变量，作为锁对象。

lock 原型

lock 是 Monitor 的语法糖，生成的代码对比：

lock (x)
{
    // Your code...
}
object __lockObj = x;
bool __lockWasTaken = false;
try
{
    System.Threading.Monitor.Enter(__lockObj, ref __lockWasTaken);
    // Your code...
}
finally
{
    if (__lockWasTaken) System.Threading.Monitor.Exit(__lockObj);
}

这里先不理会 Monitor，后面再说。

lock 编写实例

首先，如果像下面这样写的话，拉出去打 si 吧。

public void MyLock()
{
    object o = new object();
    lock (o)
    {
    // 
    }
}

file

下面编写一个简单的锁，示例如下：

class Program
{
    private static object obj = new object();
    private static int sum = 0;
    static void Main(string[] args)
    {
        Thread thread1 = new Thread(Sum1);
        thread1.Start();
        Thread thread2 = new Thread(Sum2);
        thread2.Start();
        while (true)
        {
            Console.WriteLine($"{DateTime.Now.ToString()}:" + sum);
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(1));
        }
    }

    public static void Sum1()
    {
        sum = 0;
        lock (obj)
        {
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                sum += i;
                Console.WriteLine("Sum1");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
            }
        }
    }

    public static void Sum2()
    {
        sum = 0;
        lock (obj)
        {
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                sum += 1;
                Console.WriteLine("Sum2");
                Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
            }
        }
    }
}

类将自己设置为锁，这可以防止恶意代码对公共对象采用做锁。

例如：

public void Access()
{
    lock(this) {}
}

锁可以阻止其它线程执行锁块(lock(o){})中的代码，当锁定时，其它线程必须等待锁中的线程执行完成并释放锁。但是这可能会给程序带来性能影响。锁不太适合I/O场景，例如文件I/O，繁杂的计算或者操作比较持久的过程，会给程序带来很大的性能损失。

10 种优化锁的性能方法： http://www.thinkingparallel.com/2007/07/31/10-ways-to-reduce-lock-contention-in-threaded-programs/

Monitor

此对象提供同步访问对象的机制；Monotor 是一个静态类型，其方法比较少，常用方法如下：

操作	说明
Enter， TryEnter	获取对象的锁。此操作还标记关键节的开头。其他任何线程都不能输入临界区，除非它使用不同的锁定对象执行临界区中的说明。
Wait	释放对象的锁，以允许其他线程锁定并访问对象。调用线程会等待另一个线程访问对象。使用脉冲信号通知等待线程关于对象状态的更改。
Pulse 、PulseAll	将信号发送到一个或多个等待线程。信号通知等待线程：锁定对象的状态已更改，锁的所有者已准备好释放该锁。正在等待的线程置于对象的就绪队列中，因此它可能最终接收对象的锁。线程锁定后，它可以检查对象的新状态，以查看是否已达到所需的状态。
Exit	释放对象的锁。此操作还标记受锁定对象保护的临界区的结尾。

怎么用呢

下面是一个很简单的示例：

private static object obj = new object();
private static bool acquiredLock = false;

public static void Test()
{
    try
    {
        Monitor.Enter(obj, ref acquiredLock);
    }
    catch { }
    finally
    {
        if (acquiredLock)
            Monitor.Exit(obj);
    }
}

Monitor.Enter 锁定 obj 这个对象，并且设置 acquiredLock 为 true，告诉别人 obj 已经被锁定。

最后结束时，判断 acquiredLock ，释放锁，并设置 acquiredLock 为 false。

解释一下

临界区：指被某些符号包围的范围。例如 {} 内。

Monitor 对象的 Enter 和 Exit 方法来标记临界区的开头和结尾。

Enter() 方法获取锁后，能够保证只有单个线程能够使用临界区中的代码。使用 Monitor 类，最好搭配 try{...}catch{...}finally{...} 来使用，因为如果获取到锁但是没有释放锁的话，会导致其它线程无限阻塞，即发生死锁。

一般来说，lock 关键字够用了。

示例

下面示范了多个线程如何使用 Monitor 来实现锁：

private static object obj = new object();
private static bool acquiredLock = false;
static void Main(string[] args)
{
    new Thread(Test1).Start();
    Thread.Sleep(1000);
    new Thread(Test2).Start();
}

public static void Test1()
{
    try
    {
        Monitor.Enter(obj, ref acquiredLock);
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            Console.WriteLine("Test1正在锁定资源");
            Thread.Sleep(1000);
        }

    }
    catch { }
    finally
    {
        if (acquiredLock)
            Monitor.Exit(obj);
        Console.WriteLine("Test1已经释放资源");
    }
}
public static void Test2()
{
    bool isGetLock = false;
    Monitor.Enter(obj);
    try
    {
        Monitor.Enter(obj, ref acquiredLock);
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            Console.WriteLine("Test2正在锁定资源");
            Thread.Sleep(1000);
        }

    }
    catch { }
    finally
    {
        if (acquiredLock)
            Monitor.Exit(obj);
        Console.WriteLine("Test2已经释放资源");
    }
}

设置获取锁的时效

如果对象已经被锁定，另一个线程使用 Monitor.Enter 对象，就会一直等待另一个线程解除锁定。

但是，如果一个线程发生问题或者出现死锁的情况，锁一直被锁定呢？或者线程具有时效性，超过一段时间不执行，已经没有了意义呢？

我们可以通过 Monitor.TryEnter() 来设置等待时间，超过一段时间后，如果锁还没有释放，就会返回 false。

改造上面的示例如下：

private static object obj = new object();
private static bool acquiredLock = false;
static void Main(string[] args)
{
    new Thread(Test1).Start();
    Thread.Sleep(1000);
    new Thread(Test2).Start();
}

public static void Test1()
{
    try
    {
        Monitor.Enter(obj, ref acquiredLock);
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            Console.WriteLine("Test1正在锁定资源");
            Thread.Sleep(1000);
        }
    }
    catch { }
    finally
    {
        if (acquiredLock)
            Monitor.Exit(obj);
        Console.WriteLine("Test1已经释放资源");
    }
}
public static void Test2()
{
    bool isGetLock = false;
    isGetLock = Monitor.TryEnter(obj, 500);
    if (isGetLock == false)
    {
        Console.WriteLine("锁还没有释放，我不干活了");
        return;
    }
    try
    {
        Monitor.Enter(obj, ref acquiredLock);
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            Console.WriteLine("Test2正在锁定资源");
            Thread.Sleep(1000);
        }
    }
    catch { }
    finally
    {
        if (acquiredLock)
            Monitor.Exit(obj);
        Console.WriteLine("Test2已经释放资源");
    }
}

对于锁的使用，还有很多高级复杂的技术，本文简单地介绍了 Lock 和 Monitor 的使用。

随着教程的深入，会继续学习很多高级的使用方法。

方法锁

[MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)] 特性标记，可以让该方法只允许同时一个线程运行。

[MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)]
public void Test()
{

}