C#多线程访问资源

C#多线程访问资源

在 C# 中，多线程访问共享资源需要通过同步机制来保证线程安全。以下是常见的解决方案及其适用场景：

1.1 锁机制

1. lock 关键字

   • 基于 Monitor 类，确保代码块同一时间仅一个线程进入。
   • 适用场景：简单临界区保护。

   private readonly object _lockObj = new object();
   lock (_lockObj) 
   {
       // 访问共享资源
   }
   

2. Monitor 类

   • 提供更灵活的控制（如超时机制）。

   Monitor.Enter(_lockObj);
   try { /* 操作资源 */ }
   finally { Monitor.Exit(_lockObj); }
   

3. Mutex (互斥锁)

   • 跨进程同步，适用于多进程共享资源。

   using var mutex = new Mutex(false, "GlobalMutexName");
   mutex.WaitOne();
   try { /* 操作资源 */ }
   finally { mutex.ReleaseMutex(); }
   

4. SpinLock (自旋锁)

   • 通过循环等待避免上下文切换，适用于极短临界区。

   SpinLock spinLock = new SpinLock();
   bool lockTaken = false;
   spinLock.Enter(ref lockTaken);
   try { /* 操作资源 */ }
   finally { if (lockTaken) spinLock.Exit(); }
   

1.2 信号量机制

1. Semaphore / SemaphoreSlim

   • 控制同时访问资源的线程数量。

   SemaphoreSlim semaphore = new SemaphoreSlim(3); // 允许3个线程进入
   await semaphore.WaitAsync();
   try { /* 操作资源 */ }
   finally { semaphore.Release(); }
   

2. ReaderWriterLockSlim

   • 读写分离锁，允许多读单写。

   ReaderWriterLockSlim rwLock = new ReaderWriterLockSlim();
   rwLock.EnterReadLock();  // 读模式
   try { /* 读取资源 */ }
   finally { rwLock.ExitReadLock(); }
   
   rwLock.EnterWriteLock(); // 写模式
   try { /* 修改资源 */ }
   finally { rwLock.ExitWriteLock(); }
   

1.3 事件与信号

1. ManualResetEvent / AutoResetEvent

   • 通过信号控制线程阻塞与唤醒。

   ManualResetEvent mre = new ManualResetEvent(false);
   mre.WaitOne();    // 等待信号
   mre.Set();        // 发送信号
   

2. Barrier (屏障)

   • 同步多个线程到同一阶段。

   Barrier barrier = new Barrier(3); // 等待3个线程到达
   barrier.SignalAndWait();          // 每个线程调用此方法
   

3. CountdownEvent

   • 等待指定数量的操作完成。

   CountdownEvent cde = new CountdownEvent(3);
   cde.Signal();  // 每个线程完成后调用
   cde.Wait();    // 等待所有完成
   

1.4 原子操作

1. Interlocked 类

   • 提供原子操作（如递增、比较交换）。

   int value = 0;
   Interlocked.Increment(ref value); // 原子递增
   

1.5 线程安全集合

1. ConcurrentQueue / ConcurrentDictionary 等

   • 内置线程安全的集合，避免手动同步。

   var queue = new ConcurrentQueue<int>();
   queue.Enqueue(1);
   if (queue.TryDequeue(out var item)) { /* 处理元素 */ }
   

1.6 避免共享状态

1. 不可变对象

   • 使用 readonly 或不可变集合（如 ImmutableList），确保数据不可变。

   var list = ImmutableList.Create<int>();
   list = list.Add(1); // 返回新实例，原数据不变
   

2. 线程本地存储

   • 使用 ThreadLocal 或 [ThreadStatic] 为每个线程创建独立副本。

   ThreadLocal<int> threadLocal = new ThreadLocal<int>(() => 0);
   int localValue = threadLocal.Value;
   

1.7 异步与并行

1. async/await 与异步锁

   • 在异步代码中使用 SemaphoreSlim.WaitAsync()。

   private SemaphoreSlim asyncLock = new SemaphoreSlim(1);
   await asyncLock.WaitAsync();
   try { /* 异步操作资源 */ }
   finally { asyncLock.Release(); }
   

2. TPL (任务并行库)

   • 使用 Parallel.For 或 Task 时确保资源安全。

   Parallel.For(0, 10, i => 
   {
       // 需要内部同步机制
   });
   

1.8 选择策略

• 简单临界区：优先使用 lock 或 Monitor。
• 读写分离：使用 ReaderWriterLockSlim。
• 高并发读：不可变对象或并发集合。
• 异步场景：SemaphoreSlim.WaitAsync()。
• 跨进程同步：Mutex。

通过合理选择同步机制，可以平衡性能与线程安全。