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