C# 多线程详解 Part.04（Lock、Monitor、生产与消费）
系列1 曾经说过：每个线程都有自己的资源，但代码区是共享的，即每个线程都可以执行相同的函数。
这可能带来的问题就是多个线程同时执行一个函数，并修改同一变量值，这将导致数据的混乱，产生不可预料的结果。看下面的示例：
private void btnThread_Click(object sender, EventArgs e)
{
Thread t1 = new Thread(ChangeTextBox);
t1.Start();
Thread t2 = new Thread(ChangeTextBox);
t2.Start();
}
void ChangeTextBox()
{
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
int num = int.Parse(txtNum.Text);
num++;
txtNum.Text = num.ToString();
}
}
结果，计数非但不是20000，相差的还很远。这是因为 CPU 在线程切换的过程中，2 个线程多次发生取出相同值进行运算。这显然不是我们想要达到的目的。
Lock
要解决这一问题也非常简单，只需为这段代码加上 Lock 锁定：
private static object obj = new object();
void ChangeTextBox()
{
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
lock(obj)
{
int num = int.Parse(txtNum.Text);
num++;
txtNum.Text = num.ToString();
}
}
}
C# 提供了一个关键字 lock，它可以把一段代码定义为互斥段（critical section），互斥段在一个时刻内只允许一个线程进入执行，而其他线程必须等待。
在C#中，关键字 lock 的定义：lock(expression) statement_block
expression 代表你希望跟踪的对象，通常是对象引用。如果你想保护一个类的实例，你可以使用 this；如果你想保护一个静态变量（如互斥代码段在一个静态方法内部），一般使用类名就可以了。而 statement_block 就是互斥段的代码，这段代码在一个时刻内只可能被一个线程执行。
再看一个 Lock 关键字的示例：
internal class Account
{
int balance;
Random r = new Random();
internal Account(int initial)
{
balance = initial;
}
internal void Withdraw(int amount)
{
if (balance < 0)
{
throw new Exception("Negative Balance");
}
lock (this)
{
// 下面的代码保证在当前线程修改 balance 的值完成之前
// 不会有其他线程也执行这段代码来修改 balance 的值
// 因此，balance 的值是不可能小于 0 的
Console.WriteLine("Current Thread:" + Thread.CurrentThread.Name
+ " balance:" + balance.ToString() + " amount:" + amount);
// 如果没有 lock 关键字的保护，那么可能在执行完 if 的条件判断之后
// 另外一个线程却执行了 balance=balance-amount 修改了 balance 的值
// 而这个修改对这个线程是不可见的，所以可能导致这时 if 的条件已经不成立了
// 但是，这个线程却继续执行 balance=balance-amount，所以导致 balance 可能小于 0
// 去除 lock 块可以看出效果,程序会抛出异常
if (balance >= amount)
{
Thread.Sleep(5);
balance = balance - amount;
}
Console.WriteLine("Current Thread:" + Thread.CurrentThread.Name
+ " balance:" + balance.ToString() + " amount:" + amount);
}
}
internal void DoTransactions()
{
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
Withdraw(r.Next(-50, 100));
}
}
}
internal class Test
{
static internal Thread[] threads = new Thread[10];
public static void Main()
{
Account acc = new Account(0);
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
Thread t = new Thread(new ThreadStart(acc.DoTransactions));
threads[i] = t;
threads[i].Name = i.ToString();
}
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
threads[i].Start();
}
Console.ReadLine();
}
}
Lock 语法简单易用。其本质是针对 Monitor.Enter() 和 Monitor.Exit() 的封装，是一个语法糖！
Monitor
当多个线程公用一个对象时，也会出现和公用代码类似的问题，这就需要用到 System.Threading 中的 Monitor 类，我们可以称之为监视器，Monitor 提供了使线程共享资源的方案。
Monitor 类可以锁定一个对象，一个线程只有得到这把锁才可以对该对象进行操作。 对象锁机制保证了在可能引起混乱的情况下，一个时刻只有一个线程可以访问这个对象。Monitor 必须和一个具体的对象相关联，但是由于它是一个静态的类，所以不能使用它来定义对象，而且它的所有方法都是静态的，不能使用对象来引用。
下面代码说明了使用 Monitor 锁定一个对象的情形：
// 表示对象的先进先出集合
Queue oQueue = new Queue();
try
{
// 现在 oQueue 对象只能被当前线程操纵了
Monitor.Enter(oQueue);
// do something......
}
catch
{
}
finally
{
// 释放锁
Monitor.Exit(oQueue);
}
如上所示， 当一个线程调用 Monitor.Enter() 方法锁定一个对象时，这个对象就归它所有了，其它线程想要访问这个对象，只有等待它使用 Monitor.Exit() 方法释放锁。为了保证线程最终都能释放锁，你可以把 Monitor.Exit() 方法写在 try-catch-finally 结构中的 finally 代码块里。（Lock 关键字就是这个步骤的语法糖）
任何一个被 Monitor 锁定的对象，内存中都保存着与它相关的一些信息:
- 现在持有锁的线程的引用
- 一个预备队列，队列中保存了已经准备好获取锁的线程
- 一个等待队列，队列中保存着当前正在等待这个对象状态改变的队列的引用
当拥有对象锁的线程准备释放锁时，它使用 Monitor.Pulse() 方法通知等待队列中的第一个线程，于是该线程被转移到预备队列中，当对象锁被释放时，在预备队列中的线程可以立即获得对象锁。
生产与消费
下面是一个展示如何使用 lock 关键字和 Monitor 类来实现线程的同步和通讯的例子，是一个典型的生产者与消费者问题。
在本例中，生产者线程和消费者线程是交替进行的，生产者写入一个数，消费者立即读取并且显示（注释中介绍了该程序的精要所在）。
/// <summary>
/// 被操作的对象
/// </summary>
public class Cell
{
/// <summary>
/// Cell 对象里的内容
/// </summary>
int cellContents;
/// <summary>
/// 状态标志: 为 true 时可以读取，为 false 则正在写入
/// </summary>
bool readerFlag = false;
public int ReadFromCell()
{
lock (this)
{
if (!readerFlag)
{
try
{
// 等待 WriteToCell 方法中调用 Monitor.Pulse()方法
Monitor.Wait(this);
}
catch (SynchronizationLockException e)
{
Console.WriteLine(e);
}
catch (ThreadInterruptedException e)
{
Console.WriteLine(e);
}
}
// 开始消费行为
Console.WriteLine("Consume: {0}", cellContents);
Console.WriteLine();
// 重置 readerFlag 标志，表示消费行为已经完成
readerFlag = false;
// 通知 WriteToCell()方法（该方法在另外一个线程中执行，等待中）
Monitor.Pulse(this);
}
return cellContents;
}
public void WriteToCell(int n)
{
lock (this)
{
if (readerFlag)
{
try
{
Monitor.Wait(this);
}
catch (SynchronizationLockException e)
{
// 当同步方法（指Monitor类除Enter之外的方法）在非同步的代码区被调用
Console.WriteLine(e);
}
catch (ThreadInterruptedException e)
{
// 当线程在等待状态的时候中止
Console.WriteLine(e);
}
}
cellContents = n;
Console.WriteLine("Produce: {0}", cellContents);
readerFlag = true;
Monitor.Pulse(this); // 通知另外一个线程中正在等待的 ReadFromCell() 方法
}
}
}
/// <summary>
/// 生产者
/// </summary>
public class CellProd
{
/// <summary>
/// 被操作的 Cell 对象
/// </summary>
Cell cell;
/// <summary>
/// 生产者生产次数，初始化为 1
/// </summary>
int quantity = 1;
public CellProd(Cell box, int request)
{
cell = box;
quantity = request;
}
public void ThreadRun()
{
for (int looper = 1; looper <= quantity; looper++)
{
// 生产者向操作对象写入信息
cell.WriteToCell(looper);
}
}
}
/// <summary>
/// 消费者
/// </summary>
public class CellCons
{
Cell cell;
int quantity = 1;
public CellCons(Cell box, int request)
{
cell = box;
quantity = request;
}
public void ThreadRun()
{
int valReturned;
for (int looper = 1; looper <= quantity; looper++)
{
valReturned = cell.ReadFromCell(); // 消费者从操作对象中读取信息
}
}
}
/// <summary>
/// 测试类
/// </summary>
public class MonitorSample
{
public static void Main(String[] args)
{
// 一个标志位，如果是 0 表示程序没有出错，如果是 1 表明有错误发生
int result = 0;
// 下面使用 cell 初始化 CellProd 和 CellCons 两个类，生产和消费次数均为 20 次
Cell cell = new Cell();
CellProd prod = new CellProd(cell, 20);
CellCons cons = new CellCons(cell, 20);
Thread producer = new Thread(new ThreadStart(prod.ThreadRun));
Thread consumer = new Thread(new ThreadStart(cons.ThreadRun));
// 生产者线程和消费者线程都已经被创建，但是没有开始执行
try
{
producer.Start();
consumer.Start();
producer.Join();
consumer.Join();
Console.ReadLine();
}
catch (ThreadStateException e)
{
// 当线程因为所处状态的原因而不能执行被请求的操作
Console.WriteLine(e);
result = 1;
}
catch (ThreadInterruptedException e)
{
// 当线程在等待状态的时候中止
Console.WriteLine(e);
result = 1;
}
// 尽管 Main() 函数没有返回值，但下面这条语句可以向父进程返回执行结果
Environment.ExitCode = result;
}
}
这个简单的例子解决了多线程应用程序中可能出现的大问题， 只要领悟了解决线程间冲突的基本方法，很容易把它应用到比较复杂的程序中去。
