.Net线程同步技术解读

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。

什么是线程安全

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；

结合场景理解

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：

在 Items[Size] 的位置存放此元素；
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.

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）

线程同步技术

话不多说，给出大图：

四象限对象的区别：

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);
}

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：

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,解决在async code中无法使用lock语法糖的问题

// 实例化单信号量
static SemaphoreSlim semaphoreSlim = new SemaphoreSlim(1,1);

// 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(1000);
}
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
    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。