Mutex vs Semaphore vs Monitor vs SemaphoreSlim

时间：2023-01-14 19:38:20

C#开发者（面试者）都会遇到lock(Monitor)，Mutex，Semaphore，SemaphoreSlim这四个与锁相关的C#类型，本文期望以最简洁明了的方式阐述四种对象的区别。

什么叫线程安全？

教条式理解

如果代码在多线程环境中运行的结果与 单线程运行结果一样，其他变量值也和预期是一样的，那么线程就是安全的；

线程不安全就是不提供数据访问保护，可能出现多个线程先后修改数据造成的结果是脏数据。

实际场景理解

Mutex vs Semaphore vs Monitor vs SemaphoreSlim两个线程都为集合增加元素，我们错误的理解即使是多线程也总有先后顺序吧，集合的两个位置先后塞进去就完了；实际上集合增加元素这个行为看起来简单，实际并不一定是原子操作。

在添加一个元素的时候，它可能会有两步来完成：

  1. 在 Items[Size] 的位置存放此元素；
  2. 增大 Size 的值。

  • 在单线程运行的情况下，如果 Size = 0，添加一个元素后，此元素在位置0，之后设置Size=1；

  • 如果是在多线程场景下，有两个线程，线程A先将元素存放在位置0，但是此时CPU调度线程A暂停，线程B得到运行机会；线程B也向此ArrayList添加元素，因为此时Size仍然等于0 （注意哦，我们假设添加元素是经过两个步骤，而线程A仅仅完成了步骤1），所以线程B也将元素存放在位置0。然后线程A和线程B都继续运行，都增加 Size 的值。 那好，我们来看看ArrayList的情况，元素实际上只有一个，存放在位置 0，而Size却等于2，形成了脏数据，这种就定义为对ArrayList的新增元素操作是线程不安全的。

线程安全这个问题不单单存在于集合类，我们始终要记得：
Never ever modify a shared resource by multipie threads unless resource is thread-safe.

    • 我们对SqlServer，Mongodb，对HttpContext的访问都会涉及thread-safe, 利用C# mongodb driver操作Mongo打包时常用操作是线程安全的，Only a few of the C# Driver classes are thread safe. Among them: MongoServer, MongoDatabase, MongoCollection and MongoGridFS.

    • 对于HttpContext 静态属性的操作是线程安全的： Any public static members of this type （HttpContext） are thread safe， any instance members are not guaranteed to be thread safe. 我们常用的是HttpContext.Current

各语言推出了适用于不同范围的线程同步技术来预防以上脏数据（实现线程安全）。

C#线程同步技术

话不多说， 给出大图：

Mutex vs Semaphore vs Monitor vs SemaphoreSlim

四象限对象的区别：

Mutex vs Semaphore vs Monitor vs SemaphoreSlim该线程同步技术

  • 　支持线程进入的个数
  • 是否跨进程支持

上半区 lock（Monitor）, Mutex（中文称为互斥锁）都只支持单线程进入被保护代码，其他线程则必须等待进入的线程完成 {Critical Section}

下半区SemaphoreSlim、Semaphore（中文称为信号量）支持并发多线程进入被保护代码，对象在初始化时会指定 最大信号灯数量，当线程请求访问资源，信号量递减，而当他们释放时，信号量计数又递增。

左半区lock (Monitor)、SemaphoreSlim 是CRL对象， 进程内线程同步； 右半区Mutex，Semaphore都继承自WaitHandle对象，支持命名，是内核对象，在系统级别能支持进程间线程同步。

进程间线程同步不多见（分布式锁的场景越来越多，这里按下不表），啰嗦一下常见的进程内线程同步技术：

① lock（Monitor）

开发者最常用的lock关键字，使用方式相当简单，对于单进程内线程同步相当有效，

实际上lock是Monitor的语法糖，实际的编译代码如下：

object __lockObj = x;

bool __lockWasTaken = false;

try

{

     System.Threading.Monitor.Enter(__lockObj, ref __lockWasTaken);

     // Your code...

}

finally

{

    if (__lockWasTaken) System.Threading.Monitor.Exit(__lockObj);

}

Mutex vs Semaphore vs Monitor vs SemaphoreSlim一般使用私有静态对象作为lock（Monitor）线程同步的同步对象，那配合lock完成代码锁定的那个对象到底起什么作用呢？

这里面有个SyncBlockIndex的概念，新建的托管堆在内存表现如下：

Mutex vs Semaphore vs Monitor vs SemaphoreSlim

每个堆对象： 函数表指针（这也是一个重要知识点，用于在多态中判断对象到底是哪个类型）、同步块索引、对象字段；

其中同步块索引是lock解决线程同步的关键，SyncBlockIndex是一个地址指针（传送门）；

　　新创建的对象objLock， 其SyncBlockindex =-1， 不指向任何有效同步块；

　　调用静态类Monitor.Enter(objLock), CRL会寻找一个空闲SyncBlock并将objLock对象的SyncBlockIndex指向该块， 例如上图中ObjectA，ObjectC的SyncBlockIndex指向了2个SyncBlock；

　　Exit(objLock)会将objLock对象的SyncBlockIndex重新赋为 -1， 释放出来的SyncBlock可以在将来被其他对象SyncBlockIndex引用。

②  lock（Monitor） vs SemaphoreSlim

两者都是进程内线程同步技术，SemaphoreSlim信号量支持多线程进入；

另外SemaphoreSlim 有异步等待方法，支持在异步代码中线程同步， 能解决在async code中无法使用lock语法糖的问题;

Mutex vs Semaphore vs Monitor vs SemaphoreSlim

// 实例化单信号量

static SemaphoreSlim semaphoreSlim = new SemaphoreSlim(,);

// 异步等待进入信号量，如果没有线程被授予对信号量的访问权限，则进入执行保护代码；否则此线程将在此处等待，直到信号量被释放为止

await semaphoreSlim.WaitAsync();

try

{

    await Task.Delay();

}

finally

{

    // 任务准备就绪后，释放信号灯。【准备就绪时始终释放信号量】至关重要，否则我们将获得永远被锁定的信号量
    // 这就是为什么在try ... finally子句中进行发布很重要的原因；程序执行可能会崩溃或采用其他路径，这样可以保证执行

    semaphoreSlim.Release();

}

总结：

从宏观上掌握 Monitor，Mutex， SemaphoreSlim，Semaphore的区别有利于形成【线程同步知识体系】；

文章着重记录 进程内线程同步技术。

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