聊透多线程编程-线程互斥与同步-12. C# Monitor类实现线程互斥

一、什么是临界区？

二、Monitor类的用途

三、Monitor的基本用法

四、Monitor的工作原理

五、使用示例1-保护共享变量

解释：

六、使用示例2-线程间信号传递

解释：

七、注意事项

八、总结

在多线程编程中，线程之间的同步和互斥是确保程序正确运行的关键。C# 提供了多种机制来实现线程同步，其中 Monitor 类是一个底层但功能强大的工具，用于实现线程间的互斥访问。本文将详细介绍如何使用 Monitor 类实现线程互斥，并通过示例展示其工作原理。

一、什么是临界区？

在多线程编程中，临界区是指一段需要互斥访问的代码块，通常涉及对共享资源的操作。为了避免多个线程同时操作共享资源而导致数据竞争或状态不一致，我们需要对临界区代码进行保护。

例如，如果两个线程同时修改一个共享变量，可能会导致最终结果不符合预期。因此，我们需要一种机制来确保同一时间只有一个线程可以进入临界区。

二、Monitor类的简介

Monitor 类是 .NET 提供的一个低级线程同步工具，主要用于实现线程间的互斥访问（Monitor 实现的线程互斥主要是一种软件实现方法，但并不是基于经典的线程同步算法如单标志法、双标志法或 Peterson 方法来实现的，而是基于现代操作系统和硬件提供的更高级别的同步原语（如原子操作和内核对象）构建的，这是因为单标志法、双标志法和 Peterson 方法都依赖于轮询（busy-waiting），这会导致 CPU 资源浪费，不适合现代多处理器环境）。与 lock 关键字不同，Monitor 提供了更细粒度的控制能力，允许开发者手动管理锁的获取和释放。

Monitor 的主要方法包括：

Monitor.Enter(object)：尝试获取指定对象的锁。如果锁已被占用，则当前线程会被阻塞，直到锁被释放。
Monitor.TryEnter(object)：尝试获取指定对象的锁，但不会无限期阻塞。它返回一个布尔值，指示是否成功获取锁。可以通过重载版本指定超时时间（以毫秒为单位），如果在指定时间内未能获取锁，则返回 false。
Monitor.Exit(object)：释放指定对象的锁。
Monitor.Wait(object)：释放锁并使当前线程进入等待状态，直到其他线程调用 Monitor.Pulse 或 Monitor.PulseAll。
Monitor.Pulse(object)：通知等待队列中的一个线程继续执行。
Monitor.PulseAll(object)：通知等待队列中的所有线程继续执行。

三、Monitor的基本用法

Monitor 的基本用法类似于 lock，但需要手动调用 Enter 和 Exit 方法。以下是一个简单的例子：

private static readonly object _lock = new object(); // 锁对象Monitor.Enter(_lock);
try
{// 需要同步的代码块
}
finally
{Monitor.Exit(_lock); // 确保锁一定会被释放
}

_lock 是一个引用类型的对象，作为锁的标识。
使用 try-finally 块是为了确保即使发生异常，锁也能被正确释放。

四、Monitor的工作原理

Monitor 类的核心思想是基于锁对象的互斥机制：

当线程调用 Monitor.Enter(object) 时，它会尝试获取指定对象的锁。如果锁已被其他线程占用，则当前线程会被挂起，直到锁可用。
当线程调用 Monitor.Exit(object) 时，它会释放锁，允许其他线程获取该锁。
Monitor.Wait 和 Monitor.Pulse 则用于实现线程间的信号传递，允许线程在特定条件下暂停或恢复执行。

五、使用示例1-保护共享变量

下面是一个使用 Monitor 类保护共享变量的例子：

using System;
using System.Threading;class Program
{private static int _counter = 0;private static readonly object _lock = new object();static void Main(){Thread t1 = new Thread(IncrementCounter);Thread t2 = new Thread(IncrementCounter);t1.Start();t2.Start();t1.Join();t2.Join();Console.WriteLine($"Final Counter Value: {_counter}");}static void IncrementCounter(){for (int i = 0; i < 100000; i++){Monitor.Enter(_lock);try{_counter++;}finally{Monitor.Exit(_lock);}}}
}

解释：

_lock 是一个静态对象，用于标识锁。
每次访问 _counter 时，都会通过 Monitor.Enter 获取锁，并通过 Monitor.Exit 释放锁。
最终输出的结果是 200000，因为所有线程的操作都被正确同步了。

六、使用示例2-线程间信号传递

Monitor 类还可以用于实现线程间的信号传递。以下是一个典型的生产者-消费者模型示例：

using System;
using System.Threading;class Program
{private static readonly object _lock = new object();private static bool _isReady = false; // 共享的状态变量static void Main(string[] args){Thread threadA = new Thread(DoWorkA);Thread threadB = new Thread(DoWorkB);threadA.Start();threadB.Start();threadA.Join();threadB.Join();}static void DoWorkA(){lock (_lock){Console.WriteLine("Thread A: Waiting for signal...");// 等待条件满足while (!_isReady){Monitor.Wait(_lock); // 释放锁并等待}Console.WriteLine("Thread A: Received signal. Continuing work.");}}static void DoWorkB(){Thread.Sleep(2000); // 模拟一些工作lock (_lock){Console.WriteLine("Thread B: Preparing to signal...");// 设置条件为 true_isReady = true;// 通知等待的线程Monitor.Pulse(_lock);Console.WriteLine("Thread B: Signal sent.");}}
}

解释：

线程 A 调用 Monitor.Wait 释放锁并进入等待状态，直到线程 B 调用 Monitor.Pulse 通知它继续执行。
这种机制非常适合需要线程间协作的场景。

七、注意事项

锁对象的选择
- 锁对象必须是引用类型（如 object），不能是值类型（如 int）。
- 推荐使用专用的私有对象作为锁对象，避免与其他代码发生冲突。
- 不要使用 this 或字符串常量作为锁对象，以免引发死锁。
避免死锁
- 死锁是指多个线程互相等待对方释放锁，导致程序无法继续运行。
- 避免死锁的方法包括：
  - 确保锁的获取顺序一致。
  - 尽量减少锁的范围。
性能影响
- 使用 Monitor 会导致线程阻塞，从而影响性能。
- 对于高并发场景，可以考虑使用其他同步机制（如 SemaphoreSlim 或 ReaderWriterLockSlim）。