C#基础：线程同步

一、前言

我们先来看下面一个例子：

using System;
using System.Threading;

namespace ThreadSynchDemo
{
    class Program
    {
        private static int Counter = 0;
        static void Main(string[] args)
        {
            Thread t1 = new Thread(() => {
                for (int i = 0; i < 1000; i++)
                {
                    Counter++;
                    Thread.Sleep(1);
                }
            });
            t1.Start();

            Thread t2 = new Thread(() => {
                for (int i = 0; i < 1000; i++)
                {
                    Counter++;
                    Thread.Sleep(1);
                }
            });
            t2.Start();

            Thread.Sleep(3000);
            Console.WriteLine(Counter);
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

我们猜想一下程序的输出结果是多少？2000？我们运行程序看一下输出结果：

我们看到，程序最后输出的结果跟我们预测的完全不一样，这是什么原因呢？这就是由线程同步引起的问题。

线程同步问题：是 解决多个线程同时操作一个资源的问题 。

在上面的例子中，t1和t2两个线程里面都是让变量Counter的值自增1，假设这时t1线程读取到Counter的值为200，可能t2线程执行非常快，t1线程读取Counter值的时候，t2线程已经把Counter的值改为了205，等t1线程执行完毕以后，Counter的值又被变为了201，这样就会出现线程同步的问题了。那么该如何解决这个问题呢？

二、解决线程同步问题

1、lock

解决线程同步问题最简单的是使用lock。lock可以解决多个线程同时操作一个资源引起的问题。lock是C#中的关键字，它要锁定一个资源，lock的特点是：同一时刻只能有一个线程进入lock的对象的范围，其它lock的线程都要等待。我们看下面优化后的代码：

using System;
using System.Threading;

namespace ThreadSynchDemo
{
    class Program
    {
        private static int Counter = 0;
        // 定义一个locker对象
        private static Object locker = new Object();
        static void Main(string[] args)
        {
            #region 存在线程同步问题
            //Thread t1 = new Thread(() => {
            //    for (int i = 0; i < 1000; i++)
            //    {
            //        Counter++;
            //        Thread.Sleep(1);
            //    }
            //});
            //t1.Start();

            //Thread t2 = new Thread(() => {
            //    for (int i = 0; i < 1000; i++)
            //    {
            //        Counter++;
            //        Thread.Sleep(1);
            //    }
            //});
            //t2.Start(); 
            #endregion

            #region 使用Lock解决线程同步问题
            Thread t1 = new Thread(() => {
                for (int i = 0; i < 1000; i++)
                {
                    lock(locker)
                    {
                        Counter++;
                    }
                    Thread.Sleep(1);
                }
            });
            t1.Start();

            Thread t2 = new Thread(() => {
                for (int i = 0; i < 1000; i++)
                {
                    lock (locker)
                    {
                        Counter++;
                    }
                    Thread.Sleep(1);
                }
            });
            t2.Start();
            #endregion

            Thread.Sleep(3000);
            Console.WriteLine(Counter);
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

这时我们在运行程序，查看输出结果：

这时输出结果是正确的。

注意：lock只能锁住同一个对象，如果是不同的对象，还是会有线程同步的问题。 lock锁定的对象必须是引用类型的对象。

我们在定义一个Object类型的对象，lock分别锁住两个对象，看看是什么结果：

using System;
using System.Threading;

namespace ThreadSynchDemo
{
    class Program
    {
        private static int Counter = 0;
        // 定义一个locker对象
        private static Object locker = new Object();
        // 定义locker2
        private static Object locker2 = new Object();
        static void Main(string[] args)
        {
            #region 存在线程同步问题
            //Thread t1 = new Thread(() => {
            //    for (int i = 0; i < 1000; i++)
            //    {
            //        Counter++;
            //        Thread.Sleep(1);
            //    }
            //});
            //t1.Start();

            //Thread t2 = new Thread(() => {
            //    for (int i = 0; i < 1000; i++)
            //    {
            //        Counter++;
            //        Thread.Sleep(1);
            //    }
            //});
            //t2.Start(); 
            #endregion

            #region 使用Lock解决线程同步问题
            //Thread t1 = new Thread(() => {
            //    for (int i = 0; i < 1000; i++)
            //    {
            //        lock(locker)
            //        {
            //            Counter++;
            //        }
            //        Thread.Sleep(1);
            //    }
            //});
            //t1.Start();

            //Thread t2 = new Thread(() => {
            //    for (int i = 0; i < 1000; i++)
            //    {
            //        lock (locker)
            //        {
            //            Counter++;
            //        }
            //        Thread.Sleep(1);
            //    }
            //});
            //t2.Start();
            #endregion

            #region 使用lock锁住不同的对象也会有线程同步问题
            Thread t1 = new Thread(() => {
                for (int i = 0; i < 1000; i++)
                {
                    lock (locker)
                    {
                        Counter++;
                    }
                    Thread.Sleep(1);
                }
            });
            t1.Start();

            Thread t2 = new Thread(() => {
                for (int i = 0; i < 1000; i++)
                {
                    lock (locker2)
                    {
                        Counter++;
                    }
                    Thread.Sleep(1);
                }
            });
            t2.Start();
            #endregion
            Thread.Sleep(3000);
            Console.WriteLine(Counter);
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

程序运行结果：

可以看到，这时还是会有线程同步的问题。虽然使用了lock，但是我们锁住的是不同的对象，这样也会有线程同步问题。lock必须锁住同一个对象才可以。

我们下面在来看一个多线程同步问题的例子：

using System;
using System.Threading;

namespace ThreadSynchDemo2
{
    class Program
    {
        static int Money = 100;

        /// <summary>
        /// 定义一个取钱的方法
        /// </summary>
        /// <param name="name"></param>
        static void QuQian(string name)
        {
            Console.WriteLine(name + "查看一下余额" + Money);
            int yue = Money - 1;
            Console.WriteLine(name + "取钱");
            Money = yue;
            Console.WriteLine(name + "取完了，剩" + Money);
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            Thread t1 = new Thread(() => {
                for (int i = 0; i < 10; i++)
                {
                    QuQian("t2");
                }
            });
            Thread t2 = new Thread(() => {
                for (int i = 0; i < 10; i++)
                {
                    QuQian("t2");
                }
            });
            t1.Start();
            t2.Start();
            t1.Join();
            t2.Join();
            Console.WriteLine("余额" + Money);
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

我们看一下输出结果：

可以看到，最终的余额并不是80，这也是线程同步带来的问题，如何解决。解决思路就是使用同步的技术避免两个线程同时修改一个余额。

1、最大粒度——同步方法

 在方法上面使用[MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)]，标记该方法是同步方法，这样一个方法只能同时被一个线程访问。我们在QuQian的方法上面标记，修改后的代码如下：

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Threading;

namespace ThreadSynchDemo2
{
    class Program
    {
        static int Money = 100;

        /// <summary>
        /// 定义一个取钱的方法，在上面标记为同步方法
        /// </summary>
        /// <param name="name"></param>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)]
        static void QuQian(string name)
        {
            Console.WriteLine(name + "查看一下余额" + Money);
            int yue = Money - 1;
            Console.WriteLine(name + "取钱");
            Money = yue;
            Console.WriteLine(name + "取完了，剩" + Money);
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            Thread t1 = new Thread(() => {
                for (int i = 0; i < 10; i++)
                {
                    QuQian("t2");
                }
            });
            Thread t2 = new Thread(() => {
                for (int i = 0; i < 10; i++)
                {
                    QuQian("t2");
                }
            });
            t1.Start();
            t2.Start();
            t1.Join();
            t2.Join();
            Console.WriteLine("余额" + Money);
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

程序输出结果：

现在的方法就是“线程安全”的了。什么是“线程安全”呢？“线程安全”是指方法可以被多个线程随意调用，而不会出现混乱。如果出现了混乱，那么就是“线程不安全”的。“线程安全”的方法可以在多线程里面随意的使用。

2、对象互斥锁

对象互斥锁就是我们上面讲的lock。我们在用lock来修改上面QuQian的例子：

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Threading;

namespace ThreadSynchDemo2
{
    class Program
    {
        static int Money = 100;

        /// <summary>
        /// 定义一个取钱的方法，在上面标记为同步方法
        /// </summary>
        /// <param name="name"></param>
        //[MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)]
        //static void QuQian(string name)
        //{
        //    Console.WriteLine(name + "查看一下余额" + Money);
        //    int yue = Money - 1;
        //    Console.WriteLine(name + "取钱");
        //    Money = yue;
        //    Console.WriteLine(name + "取完了，剩" + Money);
        //}

        private static object locker = new object();
        static void QuQian(string name)
        {
            Console.WriteLine(name + "查看一下余额" + Money);
            int yue = Money - 1;
            Console.WriteLine(name + "取钱");
            Money = yue;
            Console.WriteLine(name + "取完了，剩" + Money);
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            Thread t1 = new Thread(() => {
                for (int i = 0; i < 10; i++)
                {
                    // 使用对象互斥锁
                    lock(locker)
                    {
                        QuQian("t1");
                    }
                }
            });
            Thread t2 = new Thread(() => {
                for (int i = 0; i < 10; i++)
                {
                    lock (locker)
                    {
                        QuQian("t2");
                    }
                }
            });
            t1.Start();
            t2.Start();
            t1.Join();
            t2.Join();
            Console.WriteLine("余额" + Money);
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

程序输出结果：

可以看到，最终的输出结果还是80。

同一时刻只能有一个线程进入同一个对象的lock代码块。必须是同一个对象才能起到互斥的作用。lock后必须是引用类型，不一定是object，只要是对象就行。

锁对象选择很重要，选不对就起不到同步的作用；选不对还有可能会造成其他地方被锁，比如用字符串做锁（因为字符串缓冲池导致导致可能用的是其他地方正在使用的锁），所以不建议使用字符串做锁。下面的代码就是不允许的：

lock("locker")

两个方法如果都用一个对象做锁，那么访问A的时候就不能访问B，因此锁选择很重要。

3、Monitor

其实lock关键字就是对Monitor的简化调用，lock最终会被编译成Monitor，因此一般不直接使用Monitor类，看下面代码：

using System;
using System.Threading;

namespace MonitorDemo
{
    class Program
    {
        static int Money = 100;
        private static object locker = new object();
        static void QuQian(string name)
        {
            // 等待没有人锁定locker对象，就锁定它，然后继续执行
            Monitor.Enter(locker);
            try
            {
                Console.WriteLine(name + "查看一下余额" + Money);
                int yue = Money - 1;
                Console.WriteLine(name + "取钱");
                Money = yue;
                Console.WriteLine(name + "取完了，剩" + Money);
            }
            finally
            {
                // 释放locker对象的锁
                Monitor.Exit(locker);
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            Thread t1 = new Thread(() => {
                for (int i = 0; i < 10; i++)
                {
                        QuQian("t1");
                }
            });
            Thread t2 = new Thread(() => {
                for (int i = 0; i < 10; i++)
                {
                        QuQian("t2");
                }
            });
            t1.Start();
            t2.Start();
            t1.Join();
            t2.Join();
            Console.WriteLine("余额" + Money);
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

程序输出结果：

Monitor类里面还有TryEnter方法，如果Enter的时候有人在占用锁，它不会等待，而是会返回false。看下面的示例代码：

using System;
using System.Threading;

namespace MonitorDemo
{
    class Program
    {
        static int Money = 100;
        private static object locker = new object();
        static void QuQian(string name)
        {
            // 等待没有人锁定locker对象，就锁定它，然后继续执行
            Monitor.Enter(locker);
            try
            {
                Console.WriteLine(name + "查看一下余额" + Money);
                int yue = Money - 1;
                Console.WriteLine(name + "取钱");
                Money = yue;
                Console.WriteLine(name + "取完了，剩" + Money);
            }
            finally
            {
                // 释放locker对象的锁
                Monitor.Exit(locker);
            }
        }

        static void F1(int i)
        {
            if (!Monitor.TryEnter(locker))
            {
                Console.WriteLine("有人在锁着呢");
                return;
            }
            Console.WriteLine(i);
            Monitor.Exit(locker);
        }


        static void Main(string[] args)
        {
            //Thread t1 = new Thread(() => {
            //    for (int i = 0; i < 10; i++)
            //    {
            //            QuQian("t1");
            //    }
            //});
            //Thread t2 = new Thread(() => {
            //    for (int i = 0; i < 10; i++)
            //    {
            //            QuQian("t2");
            //    }
            //});
            Thread t1 = new Thread(() => {
                for (int i = 0; i < 10; i++)
                {
                    F1(i);
                }
            });
            Thread t2 = new Thread(() => {
                for (int i = 0; i < 10; i++)
                {
                    F1(i);
                }
            });

            t1.Start();
            t2.Start();
            t1.Join();
            t2.Join();
            Console.WriteLine("余额" + Money);
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

程序输出结果：