从0自学C#12--线程同步解决方法汇总以及优缺点

首先，肯定的一点：Microsoft的Framework Class Library(FCL)保证了所有静态方法都是线程安全的。

FCL不保证实例方法是线程安全的。因为假如全部添加锁定，会造成性能的巨大损失。另外，假如每个实例方法都需要获取和释放一个锁，事实上会造成最终在任何给定的时刻，你的应用程序只有一个线程在运行，这对性能的影响显而易见。

下面介绍基元线程同步构造。

基元：是指可以在代码中使用的最简单的构造。有两种基元构造：用户模式(user-mode)和内核模式(kernel-mode)。

用户模式

使用了特殊的CPU指令来协调线程。

技术：volatile关键字、Interlocked类（互锁）、spinlock（自旋锁）

常见锁①：volatile 关键字指示一个字段可以由多个同时执行的线程修改。 声明为 volatile 的字段不受编译器优化（假定由单个线程访问）的限制。 这样可以确保该字段在任何时间呈现的都是最新的值。

Interlocked类： 为多个线程共享的变量提供原子操作。。所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch （切换到另一个线程）。

常见锁②：SpinLock 结构是一个低级别的互斥同步基元，它在等待获取锁时进行旋转。在多核计算机上，当等待时间预计较短且极少出现争用情况时，SpinLock 的性能将高于其他类型的锁。即使 SpinLock 未获取锁，它也会产生线程的时间片。 它这样做是为了避免线程优先级别反转，并使垃圾回收器能够继续执行。 在使用 SpinLock 时，请确保任何线程持有锁的时间不会超过一个非常短的时间段，并确保任何线程在持有锁时不会阻塞。

优点：

应尽量使用基元用户模式构造，它们的速度要显著快于内核模式的构造。

协调线程的在硬件中发生的（所以才这么快）。

但是Microsoft Windows操作系统永远检测不到一个线程在基元用户模式的构造上阻塞了。

由于在用户模式的基元构造上阻塞的线程池永远不认为已堵塞，所以线程池不会创建新线程来替换这种临时的线程。

这些CPU指令只阻塞线程相当短的时间。

缺点：

只有Windows操作系统内核才能停止一个线程的运行（防止它浪费CPU的时间）。

在用户模式中运行的线程可能被系统抢占，但线程会以最快的速度再次调度。

想要取得资源但暂时取不到的线程会一直在用户模式中“自旋”，这可能浪费大量的CPU时间。线程一直在一个CPU上运行，我们称为“活锁”（livelock）。

实例：

using System;using System.Threading;public class Worker
{    // This method is called when the thread is started.
    public void DoWork()
    {        while (!_shouldStop)
        {
            Console.WriteLine("Worker thread: working...");
        }
        Console.WriteLine("Worker thread: terminating gracefully.");
    }    public void RequestStop()
    {
        _shouldStop = true;
    }    // Keyword volatile is used as a hint to the compiler that this data
    // member is accessed by multiple threads.
    private volatile bool _shouldStop;
}public class WorkerThreadExample
{    static void Main()
    {        // Create the worker thread object. This does not start the thread.
        Worker workerObject = new Worker();
        Thread workerThread = new Thread(workerObject.DoWork);        // Start the worker thread.
        workerThread.Start();
        Console.WriteLine("Main thread: starting worker thread...");        // Loop until the worker thread activates.
        while (!workerThread.IsAlive) ;        // Put the main thread to sleep for 1 millisecond to
        // allow the worker thread to do some work.
        Thread.Sleep(1);        // Request that the worker thread stop itself.
        workerObject.RequestStop();        // Use the Thread.Join method to block the current thread 
        // until the object's thread terminates.
        workerThread.Join();
        Console.WriteLine("Main thread: worker thread has terminated.");
    }    // Sample output:
    // Main thread: starting worker thread...
    // Worker thread: working...
    // Worker thread: working...
    // Worker thread: working...
    // Worker thread: working...
    // Worker thread: working...
    // Worker thread: working...
    // Worker thread: terminating gracefully.
    // Main thread: worker thread has terminated.}

内核模式

由Windows操作系统自身提供的。它们要求在应用程序的线程中调用有操作系统内核实现的函数。

技术：EventWaitHandle(事件)、Semaphore(信号量)、Mutex(互斥体)

System.Object  
System.MarshalByRefObject    
System.Threading.WaitHandle      
System.Threading.EventWaitHandle      
System.Threading.Mutex      
System.Threading.Semaphore

常见锁③：Mutex 类是 Win32 构造的包装，它可以跨应用程序域边界进行封送处理，可用于多个等待，并且可用于同步不同进程中的线程。

优点：

线程通过内核模式的构造获取其他线程拥有的资源时，Windows会阻塞线程以避免它浪费CPU时间。当资源变得可用时，Windows会恢复线程，允许它访问资源。它不会占着一个CPU“自旋”。

可实现本机和托管线程相互之间的同步。

可同步在同一台机器的不同进程中运行的线程。

可应用安全性设置，防止未经授权的账户访问它们。

线程可一直阻塞，直到及合作的所有内核模式构造都可用，或者直到集合中的任何内核模式构造可用。

在内核模式的构造上阻塞的线程可指定超时值：指定时间内访问不到希望的资源，线程就可以解除阻塞并执行其他任务。

缺点：

将线程从用户模式切换为内核模式（或者相反）会招致巨大的性能损失，这正是为什么要避免使用内核构造的原因。另外，线程一直阻塞，会导致“死锁“（deadlock）。

死锁总是由于活锁，因为活锁即浪费CPU时间，有浪费内存（线程栈等），而死锁只浪费内存。

混合构造

兼具上面两者的长处。在没有竞争的情况下，快而且不会阻塞（就像用户模式）。在有竞争的情况，希望它被操作系统内核阻塞。

技术：ManualResetEventSlim类、SemaphoreSlim类、Monitor类、Lock类、ReaderWriterLockSlim类、CountdownEvent类、Barrier类、双检锁.

常见锁④：Monitor 通常更为可取，因为监视器是专门为 .NET Framework 而设计的，因而它比Mutex可以更好地利用资源。尽管 mutex 比监视器更为强大，但是相对于 Monitor 类，它所需要的互操作转换更消耗计算资源。

常见锁⑤：使用 lock (C#) 或 SyncLock (Visual Basic) 关键字是Monitor的封装。通常比直接使用 Monitor 类更可取，一方面是因为 lock 或 SyncLock 更简洁，另一方面是因为lock 或 SyncLock 确保了即使受保护的代码引发异常，也可以释放基础监视器。

常见锁⑥：ReaderWriterLock 锁，在某些情况下，可能希望只在写入数据时锁定资源，在不更新数据时允许多个客户端同时读取数据。ReaderWriterLock 类在线程修改资源时将强制其独占访问资源，但在读取资源时则允许非独占访问。 ReaderWriter 锁可用于代替排它锁。使用排它锁时，即使其他线程不需要更新数据，也会让这些线程等待。

双检锁

常见锁⑦：双重检查锁定模式（也被称为”双重检查加锁优化”，”锁暗示”（Lock hint）) 是一种软件设计模式用来减少并发系统中竞争和同步的开销。

双重检查锁定模式首先验证锁定条件(第一次检查)，只有通过锁定条件验证才真正的进行加锁逻辑并再次验证条件(第二次检查)。

它通常用于减少加锁开销，尤其是为多线程环境中的单例模式实现“惰性初始化”。惰性初始化的意思是直到第一次访问时才初始化它的值。

public sealed class Singleton
    {        private static volatile Singleton instance = null;        
private static object syncRoot = new Object();        
private static int count = 100;        
private Singleton() { }        
public static Singleton Instance
        {            get
            {                if (instance == null)
                {                    lock (syncRoot)
                    {                        if (instance == null)
                            instance = new Singleton();
                    }
                }                return instance;
            }
        }        public static Singleton GetSingleton()
        {            if (instance == null)
            {                lock (syncRoot)
                {                    if (instance == null)
                    {
                        instance = new Singleton();
                    }                        
                }
            }            return instance;
        }        public override string ToString()
        {            lock (syncRoot)
            {                int buf = --count;
                Thread.Sleep(20);                return buf + "_" + count.ToString();
            }
        }
    }static void Main(string[] args)
        {
            Task<string>[] tasks = new Task<string>[10];
            Stopwatch watch = new Stopwatch();            object syncRoot = new Object();
            watch.Start();            for (int i = 0; i < tasks.Length; i++)
            {
                tasks[i] = Task.Factory.StartNew<string>(() =>(Singleton.GetSingleton().ToString()));                    
            }
            Task.WaitAll(tasks, 5000);//设置超时5s
            watch.Stop();
            Console.WriteLine("Tasks running need " + watch.ElapsedMilliseconds + " ms." + "\n");            
for (int i = 0; i < tasks.Length; i++)
            {                //超时处理
                if (tasks[i].Status != TaskStatus.RanToCompletion)
                {
                    Console.WriteLine("Task {0} Error!", i + 1);
                }                else
                {                    //save result
                    Console.WriteLine("Tick ID is " + tasks[i].Result);
                    Console.WriteLine();
                }
            }            for (int i = 0; i < 3; i++)
            {
                Console.WriteLine("Main thread do work!");
                Thread.Sleep(200);
            }

            Console.ReadKey();
        }

输出：

Tasks running need 298 ms.

Tick ID is 96_96

Tick ID is 99_99

Tick ID is 97_97

Tick ID is 98_98

Tick ID is 95_95

Tick ID is 94_94

Tick ID is 93_93

Tick ID is 92_92

Tick ID is 91_91

Tick ID is 90_90

Main thread do work!
Main thread do work!
Main thread do work!

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