【C#】各种锁
文章目录
- 概述
- 锁
-
- 用户模式锁
- 内核模式锁
-
- 1、事件锁
- 2、信号量
- 3、互斥锁
- 4、读写锁
- 动态计数
-
- 动态计数锁CountdownEvent
- 原子操作类：Interlocked
- 监视锁
-
- lock 关键字
- Monitor
- 来源
概述
锁：解决多线程中的数据共享安全问题。
一提到线程同步，就会提到锁，作为线程同步的手段之一，锁总是饱受质疑。一方面锁的使用很简单，只要在代码不想被重入的地方（多个线程同时执行的地方）加上锁，就可以保证无论何时，该段代码最多有一个线程在执行；另一方面，锁又不像它看起来那样简单，锁会造成很多问题：性能下降、死锁等。使用volatile关键字或者Interlocked中提供的方法能够避开锁的使用，但是这些原子操作的方法功能有限，很多操作实现起来很麻烦，如无序的线程安全集合。
锁
用户模式锁
1、volatile 关键字
volatile 并没有实现真正的线程同步，操作级别停留在变量级别并非原子级别，对于单系统处理器中，变量存储在主内存中，没有机会被别人修改。但是如果是多处理器，可能就会有问题，因为每个处理器都有单独的data cache，数据更新不一定立刻被写回到主存，可能会造成不同步。
2、Spinlock 旋转锁
Spinlock 是内核中提供的一种比较常见的锁机制，自旋锁是“原地等待”的方式解决资源冲突的，即，一个线程获取了一个自旋锁后，另外一个线程期望获取该自旋锁则获取不到，只能够原地“打转”（忙等待）。由于自旋锁的这个忙等待的特性，注定了它使用场景上的限制 ：自旋锁不应该被长时间的持有（消耗 CPU 资源）。
SpinLock spinLock = new SpinLock();
bool lockTaken = false;
spinLock.Enter(ref lockTaken);
spinLock.Exit();
内核模式锁
分为：事件锁、信号量、互斥锁、读写锁。
建议：通常不建议随便使用内核模式锁，资源付出相对较大。我们可以使用混合锁代替，以及我们马上讲到的lock关键字。
1、事件锁
自动事件锁：AutoResetEvent
WaitOne()进入等待，Set()会释放当前锁给一个等待线程。
var are = new AutoResetEvent(true);
are.WaitOne();
//...
are.Set();
手动事件锁：ManualResetEvent
WaitOne()进入等待，Set()会释放当前锁给所有等待线程。
var mre = new ManualResetEvent(false);
mre.WaitOne();//批量拦截，后续的省略号部分是无序执行的。
//...
mre.Set();//一次释放给所有等待线程
2、信号量
信号量：Semaphore
信号量可以控制同时通过的线程数以及总的线程数。
//第一个参数表示同时可以允许的线程数，比如1表示每次只允许一个线程通过，
//第二个是最大值，比如8表示最多有8个线程。
var semaphore = new Semaphore(1, 8);
3、互斥锁
互斥锁：Mutex
Mutex和Monitor很接近，但是没有Monitor.Pulse,Wait,PulseAll的唤醒功能，他的优点是可以跨进程，可以在同一台机器甚至远程机器人的不同进程间共用一个互斥体。
var mutex = new Mutex();
mutex.WaitOne();
//...
mutex.ReleaseMutex();
4、读写锁
读写锁：ReaderWriterLock
不要使用ReaderWriterLock，该类有问题（死锁、性能），请使用ReaderWriterLockSlim
.NET Framework有两个读取器-编写器锁，ReaderWriterLockSlim以及ReaderWriterLock。建议对所有新开发的项目使用 ReaderWriterLockSlim。 虽然 ReaderWriterLockSlim 类似于 ReaderWriterLock，但不同之处在于，前者简化了递归规则以及锁状态的升级和降级规则。ReaderWriterLockSlim避免了许多潜在的死锁情况。 另外，ReaderWriterLockSlim 的性能显著优于 ReaderWriterLock。
注意：读写锁并不是从限定线程个数的角度出发。而是按照读写的功能划分。
读写锁的基本方案：多个线程可以一起读，只能让一个线程去写。
读写锁：ReaderWriterLockSlim
//源码摘录自微软官网
using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using System.Collections.Generic;
public class SynchronizedCache
{
private ReaderWriterLockSlim cacheLock = new ReaderWriterLockSlim();
private Dictionary<int, string> innerCache = new Dictionary<int, string>();
public int Count
{ get { return innerCache.Count; } }
public string Read(int key)
{
cacheLock.EnterReadLock();
try
{
return innerCache[key];
}
finally
{
cacheLock.ExitReadLock();
}
}
public void Add(int key, string value)
{
cacheLock.EnterWriteLock();
try
{
innerCache.Add(key, value);
}
finally
{
cacheLock.ExitWriteLock();
}
}
public bool AddWithTimeout(int key, string value, int timeout)
{
if (cacheLock.TryEnterWriteLock(timeout))
{
try
{
innerCache.Add(key, value);
}
finally
{
cacheLock.ExitWriteLock();
}
return true;
}
else
{
return false;
}
}
public AddOrUpdateStatus AddOrUpdate(int key, string value)
{
cacheLock.EnterUpgradeableReadLock();
try
{
string result = null;
if (innerCache.TryGetValue(key, out result))
{
if (result == value)
{
return AddOrUpdateStatus.Unchanged;
}
else
{
cacheLock.EnterWriteLock();
try
{
innerCache[key] = value;
}
finally
{
cacheLock.ExitWriteLock();
}
return AddOrUpdateStatus.Updated;
}
}
else
{
cacheLock.EnterWriteLock();
try
{
innerCache.Add(key, value);
}
finally
{
cacheLock.ExitWriteLock();
}
return AddOrUpdateStatus.Added;
}
}
finally
{
cacheLock.ExitUpgradeableReadLock();
}
}
public void Delete(int key)
{
cacheLock.EnterWriteLock();
try
{
innerCache.Remove(key);
}
finally
{
cacheLock.ExitWriteLock();
}
}
public enum AddOrUpdateStatus
{
Added,
Updated,
Unchanged
};
~SynchronizedCache()
{
if (cacheLock != null) cacheLock.Dispose();
}
}
ReaderWriterLockSlim示例
动态计数
动态计数锁CountdownEvent
- CountdownEvent：限制线程数的一个机制，而且这个也是比较常用的（同属于信号量的一种）.
- 使用场景：基于多个线程从某一个表中读取数据：比如我们现有A、B、C…每一张数据表我们都希望通过多个线程去读取。因为用一个线程的话，那么数据量大会出现卡死的情况。
举例：
A表：10w数据–》10个线程读取，1个线程1w条数据。
B表：5w数据 --》5个线程 1个线程1w
C表：1w数据 --》2个线程 1个线程5k
private static CountdownEvent countdownEvent = new CountdownEvent(10);
//默认10个threadcount初始值，一个线程用一个就减掉1，直到为0后，相当于结束
static void LoadData()
{
countdownEvent.Reset(10);//重置当前ThreadCount上限
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
Task.Factory.StartNew(() =>
{
Thread.Sleep(500);
LoadTableA();
});
}
//阻止当前线程，直到设置了System.Threading.CountdonwEvent为止
countdownEvent.Wait();//相当于Task.WaitAll()
Console.WriteLine("TableA加载完毕..........\r\n");
//加载B表
countdownEvent.Reset(5);
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
Task.Factory.StartNew(() =>
{
Thread.Sleep(500);
LoadTableB();
});
}
countdownEvent.Wait();
Console.WriteLine("TableB加载完毕..........\r\n");
//加载C表
myLock7.Reset(2);
for (int i = 0; i < 2; i++)
{
Task.Factory.StartNew(() =>
{
Thread.Sleep(500);
LoadTableC();
});
}
countdownEvent.Wait();
Console.WriteLine("TableC加载完毕..........\r\n");
}
/// 原子操作类：Interlocked
Interlocked类则提供了4种方法进行原子级别的变量操作。Increment , Decrement , Exchange 和CompareExchange 。
a、使用Increment 和Decrement 可以保证对一个整数的加减为一个原子操作。
b、Exchange 方法自动交换指定变量的值。
c、CompareExchange 方法组合了两个操作：比较两个值以及根据比较的结果将第三个值存储在其中一个变量中。
d、比较和交换操作也是按原子操作执行的。Interlocked.CompareExchange(ref a, b, c); 原子操作，a参数和c参数比较， 相等b替换a，不相等不替换。
监视锁
Monitor 限制线程个数的一把锁。
lock 关键字
本质是Monitor的语法糖
- 用ILSyp自己观察生成的代码，发现和Monitor是一样的
- lock/Monitor的内部机制，本质上就是利用对上的“同步块”实现资源锁定。
- PS：在前面挺多的锁中，只有Monitor有语法糖，说明这个重要。
Monitor
锁住的资源一定要让可访问的线程能够访问到，所以不能是局部变量。
锁住的资源千万不要是值类型。
lock 不能锁住string类型，虽然它是引用类型（这个可能存在疑问）。
private static object syncRoot = new object();
private int num;
//【1】简单写法
static void TestMethod1()
{
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
Monitor.Enter(syncRoot);//锁住资源
num++;
Console.WriteLine(num);
Monitor.Exit(syncRoot);//退出资源
}
}
//【2】严谨的写法（更常用的写法）
static void TestMethod2()
{
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
bool taken = false;
try
{
Monitor.Enter(syncRoot, ref taken);//这个类似于SpinLock
num++;
Console.WriteLine(num);
}
catch (Exception ex)
{
Console.WriteLine(ex.Message);
}
finally
{
if (taken)
{
Monitor.Exit(syncRoot);
}
}
}
}
//总结：为了严谨性，保证程序正常秩序，我们在锁区域添加了异常处理，还要添加判断，非常麻烦。我们可以使用语法糖Lock。
//语法糖：只是编译器层面的，底层代码生成还是跟以前一样的。
static void Method11()
{
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
lock (syncRoot)
{
num++;
Console.WriteLine(num);
}
}
}
来源
C#中的几种锁：用户模式锁、内核模式锁、动态计数、监视
C# 锁汇总