聊聊.net 并发控制，lock，Monitor，Semaphore，BlockingQueue，乐观锁串讲

面试（对，最近在找工作面试...）被问到，.net 并发控制怎么做，BlockingQueue和ConcurrentQueue有什么区别？

多线程问题的核心是控制对临界资源的访问，接下来我们聊聊.net并发控制，可能除了第一个”lock”，对于其他的几个概念都很陌生，那么这篇文章应该对你有帮助。

lock

Monitor

Semaphore

ConcurrentQueue

BlockingQueue

BlockingCollection

 

一、lock

说到并发控制，我们首先想到的肯定是 lock关键字。

这里要说一下，lock锁的究竟是什么？是lock下面的代码块吗，不，是locker对象。

我们想象一下，locker对象相当于一把门锁（或者钥匙），后面代码块相当于屋里的资源。

哪个线程先控制这把锁，就有权访问代码块，访问完成后再释放权限，下一个线程再进行访问。

注意：如果代码块中的逻辑执行时间很长，那么其他线程也会一直等下去，直到上一个线程执行完毕，释放锁。

        object locker = new object();

        private void Add()
        {
            lock (locker)
            {
                Thread.Sleep(1000);
                counter++;
                this.logger.LogDebug($"{DateTime.Now.ToLongTimeString()} Add counter={counter}.");
            }
        }

 

二、Moniter

Monitor是一个静态类（System.Threading.Monitor），功能与lock关键字基本一样，也是加锁，控制并发。

有两个重要的方法：

Monitor.Enter()　　//获取一个锁

Monitor.Exit()　　 //释放一个锁 

另外几个方法：

public static bool TryEnter(object obj, int millisecondsTimeout)　　//相比于 public static void Enter(object obj) 方法，多了超时时间设置，如果等待超过一定时间，就不再等待了，另外，只有TryEnter()返回值为true时，才能进入代码块。

public static bool Wait(object obj, int millisecondsTimeout)　　　　//这个方法在已经获得锁权限的代码块中调用时，或暂时释放锁，等待一定时间后，重新获取锁权限，继续执行Wait后面的代码。（真想不明怎么会有这种相互礼让的操作）

public static void Pulse(object obj)　　　　　　//这个方法的解释是，通知在等待队列中的线程，锁对象状态改变。（测试发现，此方法并不会真正改变锁定状态，只是通知的作用）

 TryEnter代码示例：

        int counter = 0;
        object locker = new object();

        private void Minus()
        {
            //加上try -catch-finally，防止由于异常，锁无法释放，这也是为什么我们更多使用lock而不是Moniter的原因。
            try
            {
                //只有TryEnter()返回值为true时，才能进入代码块，与Enter()方法不一样
                if (Monitor.TryEnter(locker, 5000))
                {
                    this.logger.LogDebug($"{DateTime.Now.ToLongTimeString()} Minus in");
                    Thread.Sleep(1000);
                    counter--;
                    this.logger.LogDebug($"{DateTime.Now.ToLongTimeString()} Minus counter={counter}.");
                }
            }
            catch (Exception ex)
            {
                this.logger.LogDebug($"{DateTime.Now.ToLongTimeString()} Minus Exception {ex.Message}");
            }
            finally
            {
                Monitor.Exit(locker);
            }
        }

  

通过上面的代码，我们可以看出Monitor和lock实现的功能基本一致，但Monitor的使用要明显比lock更复杂，也行这就是我们平时更多的使用lock，而不是Monitor的原因。

 

三、Semaphore 信号量

System.Threading.Semaphore 

lock和Monitor加锁之后，每次只能有一个线程访问临界代码，信号量类似于一个线程池，线程访问之前获取一个信号，访问完成释放信号，只要信号量内有可用信号便可以访问，否则等待。

构造函数：

public Semaphore(int initialCount, int maximumCount)　　//创建一个信号量，指定初始信号数量和最大信号数量。

几个重要方法：

public int Release()　　　　　　　　//代码注释的意思是：退出信号量，并返回之前的（可用信号）数量。实际上，除了退出，这个方法每调用一次会增加一个可用信号，但数量达到最大数量时会抛异常。

public int Release(int releaseCount)   //和上面的方法类似，上面的方法每次只释放一个信号，这个方法可以指定信号数量。

public virtual bool WaitOne()　　　　//等待一个可用信号

看下面的示例代码，如果只初始一个信号量，new Semaphore(1, 100)，运行结果与lock和Monitor是一样的，两个方法交替执行，如果初始信号量为多个时，new Semaphore(3, 100)，执行效率高的方法要占用更多的信号，从而执行更多次。

        int counter = 0;
        int semaphoreCount = 0;
        Semaphore semaphore = new Semaphore(3, 100);

        private void Add()
        {
            semaphore.WaitOne();
            Thread.Sleep(1000);
            counter++;
            semaphoreCount = semaphore.Release();
            this.logger.LogDebug($"{DateTime.Now.ToLongTimeString()} Add counter={counter}.SemaphoreCount:{semaphoreCount}");
        }

        private void Minus()
        {
            semaphore.WaitOne();
            Thread.Sleep(2000);
            counter--;
            semaphore.Release();
            this.logger.LogDebug($"{DateTime.Now.ToLongTimeString()} Minus counter={counter}.SemaphoreCount:{semaphoreCount}");
        }

 

Semaphore在生产者/消费者模式下的应用

生产者每次添加一个信号，消费者每次消耗一个信号，如果信号量为0，则消费者进入等待状态。

        int counter = 0;
        int semaphoreCount = 0;
        Semaphore semaphore = new Semaphore(0, int.MaxValue);

        private void Product()
        {
            semaphoreCount = semaphore.Release();
            Thread.Sleep(1000);
            counter++;
            this.logger.LogDebug($"{DateTime.Now.ToLongTimeString()} Product counter={counter}.SemaphoreCount:{semaphoreCount}");
        }

        private void Consume()
        {
            semaphore.WaitOne();
            Thread.Sleep(2000);
            counter--;
            this.logger.LogDebug($"{DateTime.Now.ToLongTimeString()} Consume counter={counter}.SemaphoreCount:{semaphoreCount}");
        }

  

四、ConcurrentQueue 和 Queue

.net 集合中有一类线程安全的集合 System.Collections.Concurrent，ConcurrentQueue 就是其中的一个，线程安全的队列，有普通队列Queue先进先出的特点，同时又具备多线程安全。

测试过程中发现：

Queue 类的两个出队列方法 Dequeue() 和 TryDequeue(out result)，在多线程环境下，Dequeue() 会出现并发访问错误，但TryDequeue(out result)不会，即TryDequeue(out result)即使不加锁，在多线程环境下也运行正常。

ConcurrentQueue 类只有一个出队列方法 TryDequeue(out result)，当然，是线程安全的。

 

五、BlockingQueue

BlockingQueue并不是.net内置的类，如果有人问这个类，那么他多半是在说BlockingCollection

关于 BlockingQueue 有一篇很不错的文章，可以参考一下：

https://docs.microsoft.com/zh-cn/archive/blogs/toub/blocking-queues

 

六、BlockingCollection

BlockingCollection是.net内置的类，相当于带有阻塞功能的 ConcurrentQueue ，数据先进先出，相比较ConcurrentQueue ，BlockingCollection在从队列中读取数据时，如果队列为空，那么它会等待（block），直到有数据可读取。

而ConcurrentQueue ，需要我们自行判断是否读取了数据，并且控制循环读取的频率。

.net 文档对这个类解释的非常详细，可以仔细阅读：

https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.collections.concurrent.blockingcollection-1?view=netcore-3.1

七、乐观锁

前面讲的这些，都是属于.net提供的并发控制方案，还有另一种更常用的并发控制方式，乐观锁。

乐观锁本质上并不是加锁，而是数据版本控制。乐观锁的出发点是假定并发错误发生的概率很小，从而允许程序并发执行。

首先，数据要有一个版本号，每次数据更新，要产生一个新的版本号。

其次，进入数据处理逻辑之前，记录该数据的版本号，数据处理结束后，重新读取数据，比较前后两个版本号是否一致，如果一致，则提交，处理完成，如果不一致，说明产生了并发错误，则抛出异常或已其他方式终止程序执行，从而保证数据的一致性。

 总结

lock是最常用的并发控制方式，Monitor的功能与lock类似，但使用复杂，非必须不建议使用。

Semaphore，信号量，是一个不错的功能，特定应用场景下非常实用。

ConcurrentQueue 是一个线程安全的队列，在多线程并发环境下使用，可避免由于并发引起的错误。（我们可以使用lock+Queue，实现ConcurrentQueue，自己感兴趣可以试一下）

BlockingCollection 带阻塞功能的 ConcurrentQueue ，没有可用数据的情况下，进入等待状态，防止循环访问，减少CPU资源浪费。（我们可以通过Semaphore+ConcurrentQueue ，实现BlockingCollection ，自己感兴趣可以试一下）

   最后，祝大家祝编程快乐。