线程系列08,实现线程锁的各种方式,使用lock,Montor,Mutex,Semaphore以及线程死锁
当涉及到多线程共享数据，需要数据同步的时候，就可以考虑使用线程锁了。本篇体验线程锁的各种用法以及线程死锁。主要包括：
※ 使用lock处理数据同步
※ 使用Monitor.Enter和Monitor.Exit处理数据同步
※ 使用Mutex处理进程间数据同步
※ 使用Semaphore处理数据同步
※ 线程死锁
□ 使用lock处理数据同步
假设有一个类，主要用来计算该类2个字段的商，在计算商的方法之内让被除数自减，即被除数有可能为零。使用lock语句块保证每次只有一个线程进入该方法。
class ThreadSafe{static readonly object o = new object();private static int _val1, _val2;public ThreadSafe(int val1, int val2){_val1 = val1;_val2 = val2;}public void Calculate(){lock (o){--_val2;if (_val2 != 0){Console.WriteLine(_val1/_val2);}else{Console.WriteLine("_val2为零");}}}}
○ new object()创建的对象实例，也被称作同步对象
○ 同步对象必须是引用类型
○ 同步对象通常是私有的、静态的
客户端有一个静态字段val2被ThreadSafe的2个实例方法共用。
class Program{private static int val2 = 2;static void Main(string[] args){ThreadSafe ts1 = new ThreadSafe(2, val2);ThreadSafe ts2 = new ThreadSafe(2, val2);Thread[] threads = new Thread[2];threads[0] = new Thread(ts1.Calculate);threads[1] = new Thread(ts2.Calculate);threads[0].Start();threads[1].Start();Console.ReadKey();}}
○ 虽然ThreadSafe的2个实例方法共用了客户端静态字段val2，因为有了lock的存在，保证了val2的数据同步
○ 使用lock出现异常，需要手动处理
□ 使用Monitor.Enter和Monitor.Exit处理数据同步
把上面的Calculate方法修改为：
public void Calculate(){Monitor.Enter(o);_val2--;try{if (_val2 != 0){Console.WriteLine(_val1 / _val2);}else{Console.WriteLine("被除数为零");}}finally{Monitor.Exit(o);}}
○ 能得到相同的结果。
○ lock其实是语法糖，其内部的实现逻辑就是Monitor.Enter和Monitor.Exit的实现逻辑
如果把Monitor.Exit注释掉，会发生什么呢？
public void Calculate(){Monitor.Enter(o);_val2--;try{if (_val2 != 0){Console.WriteLine(_val1 / _val2);}else{Console.WriteLine("被除数为零");}}finally{//Monitor.Exit(o);}}
可见，如果没有Monitor.Exit，会捕捉不到异常。
不过，以上代码还有一些不易察觉的、潜在的问题：如果在执行Monitor.Enter方法的时候出现异常，线程将拿不到锁；如果在Monitor.Enter与try之间出现异常，由于无法执行try...catch语句块，锁得不到释放。
为了解决以上问题， CLR 4.0给出了一个Monitor.Enter的重载方法。
public static void Enter (object obj, ref bool lockTaken);
现在，如果在执行Monitor.Enter方法的时候失败，即没有拿到锁，lockTaken就为false，finally语句块中无需释放锁；如果在Monitor.Enter之后出现异常，因为线程拿到了锁，lockTaken就为true,最后在finally语句块中释放锁。
所以，Calculate方法更健壮的写法为：
public void Calculate(){bool lockTaken = false;_val2--;try{Monitor.Enter(o, ref lockTaken);if (_val2 != 0){Console.WriteLine(_val1 / _val2);}else{Console.WriteLine("被除数为零");}}finally{if (lockTaken){Monitor.Exit(o);}}}
另外，Monitor还提供了多个静态方法TryEnter的重载，可以指定在某个时间段内获取锁。
□ 使用Mutex处理进程间数据同步
Mutex的作用和lock相似，不过与lock不同的是：Mutex可以跨进程实施线程锁。Mutex有2个重要的静态方法：
○ WaitOne：阻止当前线程，如果收到当前实例的信号，则为true，否则为false
○ ReleaseMutex：用来释放锁，只有获取锁的线程才可以使用该方法，与lock一样
Mutex一个经典应用就是：同一时间只能允许一个实例出现。
class Program{static Mutex mutex = new Mutex(true,"darren.mutex");static void Main(string[] args){if (!mutex.WaitOne(2000))//如果找到互拆体，即有另外一个相同的实例在运行着{Console.WriteLine("另外一个实例已经在运行着了~~");Console.ReadLine();}else//如果没有发现互拆体{try{RunAnother();}finally{mutex.ReleaseMutex();}}}static void RunAnother(){Console.WriteLine("我是模拟另外一个实例正在运行着~~不过可以按回车键退出");Console.ReadLine();}}
以上是分别2次双击应用程序后的结果。
□ 使用Semaphore处理数据同步
Semaphore可以被形象地看成是一个舞池，比如该舞池最多能容纳100人，超过100，都要在舞池外边排队等候进入。如果舞池中有一个人离开，在外面等候队列中排在最前面的那个人就可以进入舞池。
如果舞池的容量是1，这时候Semaphore就和Mutex与lock很像了。不过，与Mutex和lock不同的是，任何线程都可以释放Semaphore。
class Program{static Semaphore _semaphore = new Semaphore(3,3);static void Main(string[] args){Console.WriteLine("ladies and gentleman,舞会开始了~~");for (int i = 1; i <= 5; i++){new Thread(IWannaDance).Start(i);}}static void IWannaDance(object id){Console.WriteLine(id + "想跳舞");_semaphore.WaitOne();Console.WriteLine(id + "进了");Thread.Sleep(3000);Console.WriteLine(id + "准备离开舞池了");_semaphore.Release();}}
可见，舞池最多可容纳3人，超过3人都得排队。
□ 线程死锁
有2个线程：线程1和线程2。有2个资源，资源1和资源2。线程1已经拿到了资源1的锁，还想拿资源2的锁，线程2已经拿到了资源2的锁，同时还想拿资源1的锁。线程1和线程2都没有放弃自己的锁，还同时想要另外的锁，这就形成线程死锁。就像2个小孩，手上都有自己的玩具，却还想要对方的玩具，谁也不肯让谁。
举一个银行转账的例子来呈现线程死锁。
首先是银行账户，提供了存款和取款的方法。
public class Account{private double _balance;private int _id;public Account(int id, double balance){this._id = id;this._balance = balance;}public int ID{get { return _id; }}//取款public void Withdraw(double amount){_balance -= amount;}//存款public void Deposit(double amount){_balance += amount;}}
其次是用来转账的一个管理类。
public class AccountManager{private Account _fromAccount;private Account _toAccount;private double _amountToTransfer;public AccountManager(Account fromAccount, Account toAccount, double amount){this._fromAccount = fromAccount;this._toAccount = toAccount;this._amountToTransfer = _amountToTransfer;}//转账public void Transfer(){Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name + "正在" + _fromAccount.ID.ToString() + "获取锁");lock (_fromAccount){Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name + "已经" + _fromAccount.ID.ToString() + "获取到锁");Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name + "被阻塞1秒");//模拟处理时间Thread.Sleep(1000);Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name + "醒了，想想获取" + _toAccount.ID.ToString() + "的锁");lock (_toAccount){Console.WriteLine("如果造成线程死锁，这里的代码就不执行了~~");_fromAccount.Withdraw(_amountToTransfer);_toAccount.Deposit(_amountToTransfer);}}}}
○ 使用了2个lock,称为"嵌套锁"，当一个方法中调用另外的方法，通常使用"嵌套锁"
○ 第1个lock下的Thread.Sleep(1000)让线程阻塞1秒，好让另一个线程进来
○ 把"正在获取XX锁"，"已经获取到XX锁"......等状态，打印到控制台上
客户端开2个线程，一个线程账户A向账户B转账，另一个线程账户B向账户A转账。
class Program{static void Main(string[] args){Console.WriteLine("准备转账了");Account accountA = new Account(1, 5000);Account accountB = new Account(2, 3000);AccountManager accountManagerA = new AccountManager(accountA, accountB, 1000);Thread threadA = new Thread(accountManagerA.Transfer);threadA.Name = "线程A";AccountManager accountManagerB = new AccountManager(accountB, accountA, 2000);Thread threadB = new Thread(accountManagerB.Transfer);threadB.Name = "线程B";threadA.Start();threadB.Start();threadA.Join();threadB.Join();Console.WriteLine("转账完成");}}
正如死锁的定义：线程A获取锁1，线程2获取锁2，线程A想获取锁2，同时线程B想获取锁1。结果：线程死锁。
○ 获取锁和释放锁的过程是相当快的，大概在几十纳秒的数量级
○ 线程锁能解决并发问题，但如果持有锁的时间过长，会增加线程死锁的可能
总结：
○ 同一进程内，在同一时间，只有一个线程获取锁，占用一个资源或一段代码，使用lock或Monitor.Enter/Monitor.Exit
○ 同一进程或不同进程内，在同一时间，只有一个线程获取锁，占用一个资源或一段代码，使用Mutex
○ 同一进程或不同进程内，在同一时间，规定有限的线程占有一个资源或一段代码，使用Semaphore
○ 使用线程锁的时候要注意造成线程死锁，当线程持有锁的时间过长，容易造成线程死锁
线程系列包括：