在多线程代码中，多个线程可能会访问一些公共的资源（变量、方法逻辑等等），这些公共资源称为临界区（共享区）；临界区的资源是不安全，所以需要通过线程同步对多个访问临界区的线程进行控制。
同样，有些时候我们需要多个线程按照特定的顺序执行，这时候，我们也需要进行线程同步。
下面，我们就看看C#中通过lock和Monitor进行线程同步。
lock关键字
lock是一种非常简单而且经常使用的线程同步方式，lock 关键字将语句块标记为临界区。 lock 确保当一个线程位于代码的临界区时，另一个线程不能进入临界区。如果其他线程试图进入锁定的代码，则它将一直等待，直到该对象被释放。
下面看一个简单的例子：
namespace LockTest
{
class PrintNum
{
private object lockObj = new object(); public void PrintOddNum()
{
lock (lockObj)
{
Console.WriteLine("Print Odd numbers:");
for (int i = ; i < ; i++)
{
if(i% != )
Console.Write(i);
Thread.Sleep();
}
Console.WriteLine();
}
}
} class Program
{
static void Main(string[] args)
{
PrintNum printNum = new PrintNum();
for (int i = ; i < ; i++)
{
Thread temp = new Thread(new ThreadStart(printNum.PrintOddNum));
temp.Start();
} Console.Read();
}
}
}
这段代码比较容易理解，我们通过lock关键字把打印奇数的逻辑包在了临界区中，这样就可以保证同时只用一个线程执行临界区中的逻辑，代码打印如下：
使用lock的注意点
lock关键字的使用还是比较简单的，但是使用lock的时候还是有一些需要注意的地方。lock关键字可以锁住任何object类型及其派生类，但是尽量不要用public 类型的，否则实例将超出代码的控制范围。根据MSDN，常见的结构 lock (this)、lock (typeof (MyType)) 和 lock ("myLock") 违反此准则：
- 如果实例可以被公共访问，将出现 lock (this) 问题。
- 如果 MyType 可以被公共访问，将出现 lock (typeof (MyType)) 问题。
- 由于进程中使用同一字符串的任何其他代码将共享同一个锁，所以出现 lock("myLock") 问题。
下面举个例子看看lock(this)的问题，假如我们把PrintOddNum中改成lock(this)，并且在主线程中使用lock (printNum)。
namespace LockTest
{
class PrintNum
{
private object lockObj = new object(); public void PrintOddNum()
{
lock (this)
{
Console.WriteLine("Print Odd numbers:");
for (int i = ; i < ; i++)
{
if (i % != )
Console.Write(i);
Thread.Sleep();
}
Console.WriteLine();
}
}
} class Program
{
static void Main(string[] args)
{
PrintNum printNum = new PrintNum();
for (int i = ; i < ; i++)
{
Thread temp = new Thread(new ThreadStart(printNum.PrintOddNum));
temp.Start();
} lock (printNum)
{
Thread.Sleep();
Console.WriteLine("Main thread will delay 5 seconds");
} Console.Read();
}
}
}
代码的输出可能如下，因为Main函数和PrintNum类型中都对printNum对象进行了加锁，所以当主线程获得了互斥锁之后，其他子线程都被block住了，没有办法执行PrintOddNum方法了。
所以说，最好定义 private 对象 或 private static 对象进行上锁，从而保护所有实例所共有的数据。
lock的本质
lock关键字其实是一个语法糖，如果过查看IL代码，会发现lock 调用块开始位置为Monitor::Enter，块结束位置为Monitor::Exit。
为了保证Exit方法肯定会被调用，还专门用了一个try/finally语句块，这样即使代码出现了异常，也能保证Monitor::Exit能够被调用到。
.try
{
IL_0003: ldarg.0
IL_0004: ldfld object LockTest.PrintNum::lockObj
IL_0009: dup
IL_000a: stloc.2
IL_000b: ldloca.s '<>s__LockTaken0'
IL_000d: call void [mscorlib]System.Threading.Monitor::Enter(object, bool&)
IL_0012: nop
IL_0013: nop
IL_0014: ldstr "Print Odd numbers:"
IL_0019: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
……
IL_0052: leave.s IL_0064
} // end .try
finally
{
IL_0054: ldloc.1
IL_0055: ldc.i4.0
IL_0056: ceq
IL_0058: stloc.3
IL_0059: ldloc.3
IL_005a: brtrue.s IL_0063 IL_005c: ldloc.2
IL_005d: call void [mscorlib]System.Threading.Monitor::Exit(object)
IL_0062: nop IL_0063: endfinally
} // end handler
那么下面我们就看看如何通过Monitor来进行线程同步。
Monitor类型
Monitor类通过互斥锁来进行对共享区的同步，当一个线程进入共享区时，会取得互斥锁的控制权，其他线程则必须等待。
前面了解到了，lock关键字就是一个语法糖，实际上lock使用的就是Monitor类型的Enter和Exit方法。很多情况下lock就可以满足需求了，但是当我们需要更进一步的线程同步时，就需要使用Monitor类型了。
下面看看Monitor类型的主要方法：
-
public static void Enter(object obj);
- 在指定对象上获取互斥锁
-
public static void Exit(object obj);
- 释放指定对象上的互斥锁
-
public static void Pulse(object obj);
- 通知等待队列中的线程锁定对象状态的更改
-
public static bool TryEnter(object obj);
- 试图获取指定对象的互斥锁，如果获得了互斥锁就返回true；否则返回false
- TryEnter(Object, Int32)形式，表示在指定的毫秒数内尝试获取指定对象上的互斥锁
-
public static bool Wait(object obj);
- 释放对象上的锁并阻止当前线程，直到它重新获取该锁
对于Enter和Exit，就不进行更多的介绍了，下面看看Pulse、Wait和TryEnter的使用。
Pulse和Wait
上面对Pulse和Wait方法的介绍还是很抽象的，下面进一步了解Pulse和Wait。
- Wait：当线程调用 Wait 时，它释放对象的锁并进入等待队列。对象的就绪队列中的下一个线程（如果有）获取锁并拥有对对象的独占使用。所有调用 Wait 的线程都将留在等待队列中，直到它们接收到由锁的所有者发送的 Pulse 或 PulseAll 的信号为止。
- Pulse：只有锁的当前所有者可以使用 Pulse 向等待对象发出信号。如果发送了 Pulse，则只影响位于等待队列最前面的线程。如果发送了 PulseAll，则将影响正等待该对象的所有线程。接收到信号后，一个或多个线程将离开等待队列而进入就绪队列。 在调用 Pulse 的线程释放锁后，就绪队列中的下一个线程（不一定是接收到脉冲的线程）将获得该锁。
使用注意事项：
- 在使用Enter和Exit方法的时候，建议像lock的IL代码一样，使用try/finally语句块对Enter和Exit进行包装。
- Pulse 、PulseAll 和 Wait 方法必须从同步的代码块内调用。
- 在使用Pulse/Wait进行线程同步的时候，一定要牢记，Monitor 类不对指示 Pulse 方法已被调用的状态进行维护。 因此，如果在没有等待线程时调用 Pulse，则下一个调用 Wait 的线程将阻止，似乎 Pulse 从未被调用过。 如果两个线程正在使用 Pulse 和 Wait 交互，则可能导致死锁。
下面看一个例子，模拟一个回合制的对打游戏，超人大战蜘蛛侠，通过Pulse/Wait，保证两人交替出招。
namespace MointorTest
{
class GamePlayer
{
public string PlayerName { get; set; }
public string EnemyName { get; set; }
} class Program
{
private static object monitorObj = new object();
private static int bloodAttack = ; static void Main(string[] args)
{
GamePlayer spiderMan = new GamePlayer { PlayerName = "Spider Man", EnemyName = "Super Man" };
Thread spiderManThread = new Thread(new ParameterizedThreadStart(GameAttack)); GamePlayer superMan = new GamePlayer { PlayerName = "Super Man", EnemyName = "Spider Man" };
Thread superManThread = new Thread(new ParameterizedThreadStart(GameAttack));
spiderManThread.Start(spiderMan);
superManThread.Start(superMan); spiderManThread.Join();
superManThread.Join();
Console.WriteLine("Game Over"); Console.Read();
} public static void GameAttack(object param)
{
GamePlayer gamePlayer = (GamePlayer)param; try
{
Monitor.Enter(monitorObj);
int blood = ;
Random ran = new Random();
while (blood > && bloodAttack >= )
{
blood -= bloodAttack;
if (blood > )
{
bloodAttack = ran.Next();
Console.WriteLine("{0}'s blood is {1}, attack {2} {3}", gamePlayer.PlayerName, blood, gamePlayer.EnemyName, bloodAttack);
}
else
{
Console.WriteLine("{0} is dead!!!", gamePlayer.PlayerName);
bloodAttack = -;
} Thread.Sleep();
Monitor.Pulse(monitorObj);
Monitor.Wait(monitorObj);
}
}
finally
{
Monitor.PulseAll(monitorObj);
Monitor.Exit(monitorObj);
}
}
}
}
代码的输出为下，注意在finally语句块中加入了"Monitor.PulseAll(monitorObj);"，这样可以确保最后一次在等待队列中的线程可以顺利执行到最后。
TryEnter避免死等
当我们使用lock的时候，没有获得互斥锁的线程会一直等待，知道该线程获得互斥锁为止。这样就产生了线程死等的现象。
但是，在Monitor类型中，有了一个TryEnter(Object, Int32)方法，线程会尝试等待一段时间来获取互斥锁，如果超时仍未获得互斥锁，那么该方法就会返回false。
下面看一个例子：
namespace MointorTest
{
class Program
{
private static object monitorObj = new object(); static void Main(string[] args)
{
Thread firstThread = new Thread(new ThreadStart(TryEnterTest));
firstThread.Name = "firstThread";
Thread secondThread = new Thread(new ThreadStart(TryEnterTest));
secondThread.Name = "secondThread";
firstThread.Start();
secondThread.Start();
Console.Read(); } public static void TryEnterTest()
{
if (!Monitor.TryEnter(monitorObj, ))
{
Console.WriteLine("Thread {0} wait 5 seconds, didn't get the lock", Thread.CurrentThread.Name);
Console.WriteLine("Thread {0} completed!", Thread.CurrentThread.Name);
return;
}
try
{
Monitor.Enter(monitorObj);
Console.WriteLine("Thread {0} get the lock and will run 10 seconds", Thread.CurrentThread.Name);
Thread.Sleep();
Console.WriteLine("Thread {0} completed!", Thread.CurrentThread.Name);
}
finally
{
Monitor.Exit(monitorObj);
}
}
}
}
代码的输出为下，secondThread首先获得了互斥锁，并且会执行10秒钟；然后firstThread会等待5秒钟，仍然获取互斥锁失败。
为了对比演示，也可以把代码中"Thread.Sleep(10000);"换成"Thread.Sleep(2000);"，这样就可以看到等待5秒钟，并且获取互斥锁成功的输出了。
例子：通过Monitor实现互斥Queue
为了进一步熟悉Monitor的使用，下面看一个互斥Queue的例子，producer和consumer可以通过多线程的方式访问互斥Queue。
namespace BlockingQueue
{
class BlockingQueue<T>
{
private object lockObj = new object();
public int QueueSize { get; set; }
private Queue<T> queue; public BlockingQueue()
{
this.queue = new Queue<T>(this.QueueSize);
} public bool EnQueue(T item)
{
lock (lockObj)
{
while (this.queue.Count() >= this.QueueSize)
{
Monitor.Wait(lockObj);
}
this.queue.Enqueue(item);
Console.WriteLine("---> 0000" + item.ToString());
Monitor.PulseAll(lockObj);
}
return true; } public bool DeQueue(out T item)
{
lock (lockObj)
{
while (this.queue.Count() == )
{
if (!Monitor.Wait(lockObj, ))
{
item = default(T);
return false;
};
}
item = this.queue.Dequeue();
Console.WriteLine("" + item + " <---");
Monitor.PulseAll(lockObj);
}
return true;
}
} class Program
{
static void Main(string[] args)
{
BlockingQueue<string> bQueue = new BlockingQueue<string>();
bQueue.QueueSize = ; Random ran = new Random(); //producer
new Thread(
() => {
for (int i = ; i < ; i++)
{
Thread.Sleep(ran.Next());
bQueue.EnQueue(i.ToString()); }
Console.WriteLine("producer quit!");
}).Start(); //producer
new Thread(
() =>
{
for (int i = ; i < ; i++)
{
Thread.Sleep(ran.Next());
bQueue.EnQueue(i.ToString()); }
Console.WriteLine("producer quit!");
}).Start(); //consumer
new Thread(
() =>
{
while (true)
{
Thread.Sleep(ran.Next());
string item = string.Empty;
if (!bQueue.DeQueue(out item))
{
break;
};
}
Console.WriteLine("consumer quit!");
}).Start(); Console.Read();
}
}
}
代码的输出为，例子中设置了BlockingQueue的size为3。
同时，在DeQueue方法中使用了"public static bool Wait(object obj, int millisecondsTimeout)"方法，这个方法将释放对象上的锁并阻止当前线程，直到它重新获取该锁；如果超过指定的超时间隔，则线程进入就绪队列。
总结
本文介绍了C#中如何通过lock和Monitor进行线程同步，如果仅仅是进行临界区的保护，那么我们可以简单的使用lock关键字，lock关键字是Monitor的一种语法糖。
所有lock能做的，Monitor都能做，Monitor能做的，lock不一定能做，Monitor提供了一些额外的功能：
- 通过TryEnter(Object, Int32)方法可以设置一个超时时间，避免线程死等
- 通过Monitor.Wait()和Monitor.Pulse()，可以进行更细致的线程同步控制
下一篇将介绍一下如何通过同步句柄（WaitHandle）来进行线程同步。