线程系列08,实现线程锁的各种方式,使用lock,Montor,Mutex,Semaphore以及线程死锁

当涉及到多线程共享数据，需要数据同步的时候，就可以考虑使用线程锁了。本篇体验线程锁的各种用法以及线程死锁。主要包括：

 

※ 使用lock处理数据同步
※ 使用Monitor.Enter和Monitor.Exit处理数据同步
※ 使用Mutex处理进程间数据同步
※ 使用Semaphore处理数据同步
※ 线程死锁

□ 使用lock处理数据同步

 

假设有一个类，主要用来计算该类2个字段的商，在计算商的方法之内让被除数自减，即被除数有可能为零。使用lock语句块保证每次只有一个线程进入该方法。

class ThreadSafe

{

static readonly object o = new object();

private static int _val1, _val2;

public ThreadSafe(int val1, int val2)

{

_val1 = val1;

_val2 = val2;

}

public void Calculate()

{

lock (o)

{

--_val2;

if (_val2 != 0)

{

Console.WriteLine(_val1/_val2);

}

else

{

Console.WriteLine("_val2为零");

}

}

}

}

○ new object()创建的对象实例，也被称作同步对象
○ 同步对象必须是引用类型
○ 同步对象通常是私有的、静态的  

 

客户端有一个静态字段val2被ThreadSafe的2个实例方法共用。

class Program

{

private static int val2 = 2;

static void Main(string[] args)

{

ThreadSafe ts1 = new ThreadSafe(2, val2);

ThreadSafe ts2 = new ThreadSafe(2, val2);

Thread[] threads = new Thread[2];

threads[0] = new Thread(ts1.Calculate);

threads[1] = new Thread(ts2.Calculate);

threads[0].Start();

threads[1].Start();

Console.ReadKey();

}

}

○ 虽然ThreadSafe的2个实例方法共用了客户端静态字段val2，因为有了lock的存在，保证了val2的数据同步
○ 使用lock出现异常，需要手动处理

 

□ 使用Monitor.Enter和Monitor.Exit处理数据同步

 

把上面的Calculate方法修改为：

public void Calculate()

{

Monitor.Enter(o);

_val2--;

try

{

if (_val2 != 0)

{

Console.WriteLine(_val1 / _val2);

}

else

{

Console.WriteLine("被除数为零");

}

}

finally

{

Monitor.Exit(o);

}

}

○ 能得到相同的结果。      
○ lock其实是语法糖，其内部的实现逻辑就是Monitor.Enter和Monitor.Exit的实现逻辑

 

如果把Monitor.Exit注释掉，会发生什么呢？

public void Calculate()

{

Monitor.Enter(o);

_val2--;

try

{

if (_val2 != 0)

{

Console.WriteLine(_val1 / _val2);

}

else

{

Console.WriteLine("被除数为零");

}

}

finally

{

//Monitor.Exit(o);

}

}

可见，如果没有Monitor.Exit，会捕捉不到异常。

 

不过，以上代码还有一些不易察觉的、潜在的问题：如果在执行Monitor.Enter方法的时候出现异常，线程将拿不到锁；如果在Monitor.Enter与try之间出现异常，由于无法执行try...catch语句块，锁得不到释放。

 

为了解决以上问题， CLR 4.0给出了一个Monitor.Enter的重载方法。

public static void Enter (object obj, ref bool lockTaken);

现在，如果在执行Monitor.Enter方法的时候失败，即没有拿到锁，lockTaken就为false，finally语句块中无需释放锁；如果在Monitor.Enter之后出现异常，因为线程拿到了锁，lockTaken就为true,最后在finally语句块中释放锁。

 

所以，Calculate方法更健壮的写法为：

public void Calculate()

{

bool lockTaken = false;

_val2--;

try

{

Monitor.Enter(o, ref lockTaken);

if (_val2 != 0)

{

Console.WriteLine(_val1 / _val2);

}

else

{

Console.WriteLine("被除数为零");

}

}

finally

{

if (lockTaken)

{

Monitor.Exit(o);

}

}

}

另外，Monitor还提供了多个静态方法TryEnter的重载，可以指定在某个时间段内获取锁。

 

□ 使用Mutex处理进程间数据同步

 

Mutex的作用和lock相似，不过与lock不同的是：Mutex可以跨进程实施线程锁。Mutex有2个重要的静态方法：

○ WaitOne：阻止当前线程，如果收到当前实例的信号，则为true，否则为false
○ ReleaseMutex：用来释放锁，只有获取锁的线程才可以使用该方法，与lock一样

 

Mutex一个经典应用就是：同一时间只能允许一个实例出现。

class Program

{

static Mutex mutex = new Mutex(true,"darren.mutex");

static void Main(string[] args)

{

if (!mutex.WaitOne(2000))//如果找到互拆体，即有另外一个相同的实例在运行着

{

Console.WriteLine("另外一个实例已经在运行着了~~");

Console.ReadLine();

}

else//如果没有发现互拆体

{

try

{

RunAnother();

}

finally

{

mutex.ReleaseMutex();

}

}

}

static void RunAnother()

{

Console.WriteLine("我是模拟另外一个实例正在运行着~~不过可以按回车键退出");

Console.ReadLine();

}

}

以上是分别2次双击应用程序后的结果。

 

□ 使用Semaphore处理数据同步

 

Semaphore可以被形象地看成是一个舞池，比如该舞池最多能容纳100人，超过100，都要在舞池外边排队等候进入。如果舞池中有一个人离开，在外面等候队列中排在最前面的那个人就可以进入舞池。

 

如果舞池的容量是1，这时候Semaphore就和Mutex与lock很像了。不过，与Mutex和lock不同的是，任何线程都可以释放Semaphore。

class Program

{

static Semaphore _semaphore = new Semaphore(3,3);

static void Main(string[] args)

{

Console.WriteLine("ladies and gentleman,舞会开始了~~");

for (int i = 1; i <= 5; i++)

{

new Thread(IWannaDance).Start(i);

}

}

static void IWannaDance(object id)

{

Console.WriteLine(id + "想跳舞");

_semaphore.WaitOne();

Console.WriteLine(id + "进了");

Thread.Sleep(3000);

Console.WriteLine(id + "准备离开舞池了");

_semaphore.Release();

}

}

可见，舞池最多可容纳3人，超过3人都得排队。

 

□ 线程死锁

 

有2个线程：线程1和线程2。有2个资源，资源1和资源2。线程1已经拿到了资源1的锁，还想拿资源2的锁，线程2已经拿到了资源2的锁，同时还想拿资源1的锁。线程1和线程2都没有放弃自己的锁，还同时想要另外的锁，这就形成线程死锁。就像2个小孩，手上都有自己的玩具，却还想要对方的玩具，谁也不肯让谁。

 

举一个银行转账的例子来呈现线程死锁。

 

首先是银行账户，提供了存款和取款的方法。

public class Account

{

private double _balance;

private int _id;

public Account(int id, double balance)

{

this._id = id;

this._balance = balance;

}

public int ID

{

get { return _id; }

}

//取款

public void Withdraw(double amount)

{

_balance -= amount;

}

//存款

public void Deposit(double amount)

{

_balance += amount;

}

}

 

其次是用来转账的一个管理类。

public class AccountManager

{

private Account _fromAccount;

private Account _toAccount;

private double _amountToTransfer;

public AccountManager(Account fromAccount, Account toAccount, double amount)

{

this._fromAccount = fromAccount;

this._toAccount = toAccount;

this._amountToTransfer = _amountToTransfer;

}

//转账

public void Transfer()

{

Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name + "正在" + _fromAccount.ID.ToString() + "获取锁");

lock (_fromAccount)

{

Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name + "已经" + _fromAccount.ID.ToString() + "获取到锁");

Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name + "被阻塞1秒");

//模拟处理时间

Thread.Sleep(1000);

Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name + "醒了，想想获取" + _toAccount.ID.ToString() + "的锁");

lock (_toAccount)

{

Console.WriteLine("如果造成线程死锁，这里的代码就不执行了~~");

_fromAccount.Withdraw(_amountToTransfer);

_toAccount.Deposit(_amountToTransfer);

}

}

}

}

○ 使用了2个lock,称为"嵌套锁"，当一个方法中调用另外的方法，通常使用"嵌套锁"
○ 第1个lock下的Thread.Sleep(1000)让线程阻塞1秒，好让另一个线程进来
○ 把"正在获取XX锁"，"已经获取到XX锁"......等状态，打印到控制台上

 

客户端开2个线程，一个线程账户A向账户B转账，另一个线程账户B向账户A转账。

class Program

{

static void Main(string[] args)

{

Console.WriteLine("准备转账了");

Account accountA = new Account(1, 5000);

Account accountB = new Account(2, 3000);

AccountManager accountManagerA = new AccountManager(accountA, accountB, 1000);

Thread threadA = new Thread(accountManagerA.Transfer);

threadA.Name = "线程A";

AccountManager accountManagerB = new AccountManager(accountB, accountA, 2000);

Thread threadB = new Thread(accountManagerB.Transfer);

threadB.Name = "线程B";

threadA.Start();

threadB.Start();

threadA.Join();

threadB.Join();

Console.WriteLine("转账完成");

}

}

正如死锁的定义：线程A获取锁1，线程2获取锁2，线程A想获取锁2，同时线程B想获取锁1。结果：线程死锁。

 

○ 获取锁和释放锁的过程是相当快的，大概在几十纳秒的数量级
○ 线程锁能解决并发问题，但如果持有锁的时间过长，会增加线程死锁的可能

 

 

总结：
○ 同一进程内，在同一时间，只有一个线程获取锁，占用一个资源或一段代码，使用lock或Monitor.Enter/Monitor.Exit
○ 同一进程或不同进程内，在同一时间，只有一个线程获取锁，占用一个资源或一段代码，使用Mutex
○ 同一进程或不同进程内，在同一时间，规定有限的线程占有一个资源或一段代码，使用Semaphore
○ 使用线程锁的时候要注意造成线程死锁，当线程持有锁的时间过长，容易造成线程死锁

 

线程系列包括：

线程系列01,前台线程,后台线程,线程同步

线程系列02,多个线程同时处理一个耗时较长的任务以节省时间

线程系列03,多线程共享数据,多线程不共享数据

线程系列04,传递数据给线程,线程命名,线程异常处理,线程池

线程系列05,手动结束线程

线程系列06,通过CLR代码查看线程池及其线程

线程系列07,使用lock语句块或Interlocked类型方法保证自增变量的数据同步

线程系列08,实现线程锁的各种方式,使用lock,Montor,Mutex,Semaphore以及线程死锁

线程系列09,线程的等待、通知,以及手动控制线程数量

线程系列10,无需显式调用线程的情形