互斥体与互锁 <第五篇>

　　互斥体实现了“互相排斥”（mutual exclusion）同步的简单形式（所以名为互斥体(mutex)）。互斥体禁止多个线程同时进入受保护的代码“临界区”。因此，在任意时刻，只有一个线程被允许进入这样的代码保护区。

　　任何线程在进入临界区之前，必须获取（acquire）与此区域相关联的互斥体的所有权。如果已有另一线程拥有了临界区的互斥体，其他线程就不能再进入其中。这些线程必须等待，直到当前的属主线程释放（release）该互斥体。什么时候需要使用互斥体呢？互斥体用于保护共享的易变代码，也就是，全局或静态数据。这样的数据必须通过互斥体进行保护，以防止它们在多个线程同时访问时损坏。

1、Mutex

　　Mutex是一个同步基元，它与前面提到的锁最大的区别在于它支持进程间同步。

　　Mutex允许同一个线程多次重复访问共享区，但是对于别的线程那就必须等待，它甚至支持不同进程中的线程同步，这点更能体现他的优势，但是劣势也是显而易见的，那就是巨大的性能损耗和容易产生死锁的困扰，所以除非需要在特殊场合，否则 我们尽量少用为妙，这里并非是将Mutex的缺点说的很严重，而是建议大家在适当的场合使用更为适合的同步方式,Mutex 就好比一个重量型的工具，利用它则必须付出性能的代价。

　　1、Mutex线程同步

　　Mutex实现线程同步主要依靠以下两个方法实现：

• WaitOne 阻止当前线程，直到当前 WaitHandle 收到信号。
• ReleaseMutex 释放 Mutex 一次。

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                ThreadPool.QueueUserWorkItem(Run);
            }
            Console.ReadKey();
        }

        static int count = 0;
        static Mutex mutex = new Mutex();
        static void Run(object obj)
        {
            //阻止当前线程(如果去掉这两行)
            mutex.WaitOne();　
            Console.WriteLine("当前数字：{0}", ++count);
            //释放 Mutex (如果去掉这行)
            mutex.ReleaseMutex();
        }
    }

　　输出：

　　

　　如果去掉则输出如下：

　　

　　Mutex和Monitor的区别:

1. Monitor不是waitHandle的子类，它具有等待和就绪队列的实际应用；
2. Monitor无法跨进程中实现线程同步，但是Mutex可以；
3. 相对而言两者有明显的性能差距，mutex相对性能较弱但是功能更为强大，monitor则性能比较好；
4. 两者都是用锁的概念来实现同步不同的是monitor一般在方法（函数）调用方加锁；mutex一般在方法（函数）内部加锁，即锁定被调用端；
5. Monitor和Lock多用于锁定被调用端，而Mutex则多用锁定调用端。

　　2、进程间同步

　　当给Mutex取名的时候能够实现进程同步，不取名实现线程同步。

　　Mutex有两种类型：未命名的局部mutex和已命名的系统mutex。

• 本地mutex仅存在与进程当中，进程内可见；
• 已命名的系统mutex在整个操作系统中可见，可用于同步进程活动；

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //使用线程输出等待状态
            Thread t1 = new Thread(ShowMyWord);
            t1.Start();

            Run(t1);

            Console.Read();
        }

        static int count = 0;
        static Mutex mutex = new Mutex(false, "xxoo"); static void Run(Thread t1)
        {
            //这个WaitOne方法要么返回true，要么一直不返回(不会返回false)，所以没办法用if来判断
            //于是，用个线程输出等待状态
            mutex.WaitOne();
            Console.WriteLine("终于轮到老子了！  " + DateTime.Now.TimeOfDay.ToString());
            //停止线程t1,不要再输出等待状态
            t1.Abort();
            //模拟干活十秒
            Thread.Sleep(10000);
            Console.WriteLine("干完！  " + DateTime.Now.TimeOfDay.ToString());
            //释放 Mutex
            mutex.ReleaseMutex();
        }

        static void ShowMyWord(object obj)
        {
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                Thread.Sleep(2000);
                Console.WriteLine("我的心在等待，一直在等待！   " + DateTime.Now.TimeOfDay.ToString());
            }
        }
    }

　　以上代码，将生成的.exe文件复制两份：

　　

　　快速运行两个输出如下：

　　

　　3、互斥体控制控制台程序仅能启动一次

　　由于Mutex能够用于进程间同步，因此我们可以很轻易地利用它实现控制程序只能启动一次的效果。

    static void Main(string[] args)
    {
        bool IsFirstCreate;
        Mutex instance = new Mutex(true, "NewApplication", out IsFirstCreate);
        if (IsFirstCreate) //赋予了线程初始所属权，也就是首次使用互斥体 
        {
            instance.ReleaseMutex();
        }
        else
        {
            Console.WriteLine("你已经启动了一个程序,本程序将于5秒后自动退出！");
            Thread.Sleep(5000);
            return;
        }
        Console.WriteLine("程序启动成功!");
        Console.ReadKey();
    }

　　输出如下：

　　

　　4、控制WinForm程序只能启动一次

static class Program
{
    /// <summary>
    /// 应用程序的主入口点。
    /// </summary>
    [STAThread]
    static void Main()
    {
        bool IsFirstRun;
        Mutex instance = new Mutex(true, "xxx", out IsFirstRun);
        if (IsFirstRun) //赋予了线程初始所属权，也就是首次使用互斥体 
        {
            Application.EnableVisualStyles();
            Application.SetCompatibleTextRenderingDefault(false);
            Application.Run(new Form1());
            instance.ReleaseMutex();
        }
        else
        {
            MessageBox.Show("你已启动了一个程序，本程序将于5秒后退出", "系统提示", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);
            Thread.Sleep(5000);
            Application.Exit();
        }
    }
}

　　输出如下：

　　　

　　第3、4测试均需要在bin目录下直接启动多个.exe。

二、Interlocked

 　　实际引用中，可能我们对共享变量的使用并不十分复杂，可能只是一些简单的操作如：自增、自减、求和、赋值、比较等。

 　　MSDN中的解析Interlocked为多个线程共享的变量提供原子操作。

　　常用操作如下：

方法	说明
Add	相加
CompareExchange	比较
Increment	递增
Decrement	递减
Exchange	赋值

 　　示例：

   class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            for (int i = 0; i < 20; i++)
            {
                Thread t = new Thread(Run);
                t.Start();
            }

            Console.Read();
        }

        static int Incre = 0;
        static int Add = 0;
        static int Exchange = 0;
        static int Decre = 21;
        static int CompareExchange = 0;

        static Mutex mutex = new Mutex();

        static void Run()
        {
            //自增操作
            //Console.WriteLine("当前数字：{0}", Interlocked.Increment(ref Incre));
            //递减操作
            //Console.WriteLine("当前数字：{0}", Interlocked.Decrement(ref Decre));
            //相加
            //Console.WriteLine("当前数字：{0}", Interlocked.Add(ref Add,10));
            //赋值
            //Console.WriteLine("当前数字：{0}", Interlocked.Exchange(ref Exchange, 5));
            //比较，如果第三个参数等于CompareExchange，则将第二个参数的值，赋给第一个参数
            Console.WriteLine("当前数字：{0}", Interlocked.CompareExchange(ref CompareExchange, 15,0));
            
        }
    }