一文看懂 Mutex vs Semaphore vs Monitor vs SemaphoreSlim

2024-04-08 08:14:57

C#开发者（面试者）都会遇到Mutex，Semaphore，Monitor，SemaphoreSlim这四个与锁相关的C#类型，本文期望以最简洁明了的方式阐述四种对象的区别。

什么叫线程安全？

教条式理解

如果代码在多线程环境中运行的结果与单线程运行结果一样，其他变量值也和预期是一样的，那么线程就是安全的；

线程不安全就是不提供数据访问保护，可能出现多个线程先后修改数据造成的结果是脏数据。

实际场景理解

两个线程都为集合增加元素，我们错误的理解即使是多线程也总有先后顺序吧，集合的两个位置先后塞进去就完了；实际上集合增加元素这个行为看起来简单，实际并不一定是原子操作。

在添加一个元素的时候，它可能会有两步来完成：

在 Items[Size] 的位置存放此元素；
增大 Size 的值。

在单线程运行的情况下，如果 Size = 0，添加一个元素后，此元素在位置0，之后设置Size=1；
如果是在多线程场景下，有两个线程，线程A先将元素存放在位置0，但是此时CPU调度线程A暂停，线程B得到运行机会；线程B也向此ArrayList添加元素，因为此时Size仍然等于0 （注意哦，我们假设添加元素是经过两个步骤，而线程A仅仅完成了步骤1），所以线程B也将元素存放在位置0。然后线程A和线程B都继续运行，都增加 Size 的值。那好，我们来看看ArrayList的情况，元素实际上只有一个，存放在位置 0，而Size却等于2，形成了脏数据，这种就定义为对ArrayList的新增元素操作是线程不安全的。

线程安全这个问题不单单存在于集合类，我们始终要记得：
Never ever modify a shared resource by multipie threads unless resource is thread-safe.

我们对SqlServer，Mongodb，对HttpContext的访问都会涉及thread-safe, 利用C# mongodb driver操作Mongo打包时常用操作是线程安全的，Only a few of the C# Driver classes are thread safe. Among them: MongoServer, MongoDatabase, MongoCollection and MongoGridFS.
对于HttpContext 静态属性的操作是线程安全的： Any public static members of this type （HttpContext） are thread safe， any instance members are not guaranteed to be thread safe. 我们常用的是HttpContext.Current

各语言推出了适用于不同范围的线程同步技术来预防以上脏数据（实现线程安全）。

C#线程同步技术

话不多说，给出大图：

四象限对象的区别：

该线程同步技术

　　- 支持线程进入的个数

- 是否跨进程支持

其中

① lock vs Monitor

最常用的lock关键字，能在多线程环境下确保只有一个线程在执行 {被保护的代码}，其他线程则必须等待进入的线程完成工作代码。

上图将lock和Monitor放在一起，是因为lock是Monitor的语法糖，实际的编译代码如下：

bool lockTaken = false;
try
{
  Monitor.Enter(obj, ref lockTaken);
  //...
}
finally
{
  if (lockTaken) Monitor.Exit(obj);
}

② lock（Monitor）vs Mutex（中文称为互斥锁，互斥元）

lock/Monitor 维护进程内线程的安全性，Mutex 维护跨进程的线程安全性。

这2个对象都只支持单线程进入指定代码。

③ SemaphoreSlim vs Semaphore

中文都称为信号量，根据对象初始化的配置，能够允许单个或多个线程进入保护代码。

信号量使多个并发线程可以访问共享资源（最大为您指定的最大数量），当线程请求访问资源时，信号量计数递减，而当它们释放资源时，信号量计数又递增。

SemaphoreSlim 是一个轻量级的，由CRL支持的进程内信号量。

右侧Mutex 和Semaphore 都是内核对象，可以看到他们都继承自WaitHandle对象，

左侧Monitor，SemaphoreSlim是.NET CLR对象,

④ Monitor vs SemaphoreSlim

两者都是进程内线程同步技术，SemaphoreSlim信号量支持多线程进入；

另外SemaphoreSlim 有异步等待方法，支持在异步代码中线程同步，能解决我们在async code中无法使用lock语法糖的问题;

// 实例化单信号量
static SemaphoreSlim semaphoreSlim = new SemaphoreSlim(1,1);

//Asynchronously wait to enter the Semaphore. If no-one has been granted access to the Semaphore, code execution will proceed, otherwise this thread waits here until the semaphore is released 
await semaphoreSlim.WaitAsync();
try
{
    await Task.Delay(1000);
}
finally
{
    //When the task is ready, release the semaphore. It is vital to ALWAYS release the semaphore when we are ready, or else we will end up with a Semaphore that is forever locked.
    //This is why it is important to do the Release within a try...finally clause; program execution may crash or take a different path, this way you are guaranteed execution
    semaphoreSlim.Release();
}

总结：

象限图中快速知晓这4种线程同步技术的区别：

- 是否支持跨进程线程同步

- 是否支持多线程进入被保护代码。

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什么叫线程安全？

教条式理解

实际场景理解

C#线程同步技术

总结：

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