C#线程同步的三类情景分析

在多线程的应用中，为了确保数据的正确性，我们需要对线程进行同步，避免多个线程同时对同一份数据进行修改。C#中提供了多种同步机制，其中包括线程同步的三类情景：Mutex、Monitor和AutoResetEvent。

Mutex

Mutex是由操作系统提供的同步原语，可以保证只有一个线程访问临界区。典型的使用方式如下：

using System.Threading;

Mutex mutex = new Mutex();

void Method1()
{
    mutex.WaitOne();
    try 
    {
        // 临界区代码
    }
    finally 
    {
        mutex.ReleaseMutex();
    }
}

void Method2()
{
    mutex.WaitOne();
    try 
    {
        // 临界区代码
    }
    finally 
    {
        mutex.ReleaseMutex();
    }
}

这里使用Mutex来保护两个方法中的临界区，确保它们不会被同时访问。当一个线程获得了Mutex的锁时，其他线程将会阻塞，直到拥有锁的线程释放它。

Monitor

Monitor是.NET Framework提供的同步机制，它可以保证在同一时间内只有一个线程访问临界区。典型的使用方式如下：

using System.Threading;

object lockObject = new object();

void Method1()
{
    lock(lockObject) 
    {
        // 临界区代码
    }
}

void Method2()
{
    lock(lockObject) 
    {
        // 临界区代码
    }
}

这里使用lock关键字来保证两个方法中的临界区不会同时被访问。当一个线程进入临界区时，其他线程将会阻塞，直到当前线程离开临界区。

AutoResetEvent

AutoResetEvent是一个基于事件的同步机制，它允许一个线程等待另一个线程的信号。典型的使用方式如下：

using System.Threading;

AutoResetEvent autoEvent = new AutoResetEvent(false);

void Method1()
{
    // 临界区代码
    autoEvent.Set();
}

void Method2()
{
    autoEvent.WaitOne();
    // 临界区代码
}

这里使用AutoResetEvent来等待Method1的信号，当Method1完成临界区操作后，调用autoEvent.Set()来通知正在等待的线程。Method2调用autoEvent.WaitOne()来等待信号的到来，从而保证临界区操作的同步性。

示例说明

下面是两个示例，演示了如何使用Mutex和Monitor来保护共享资源。

Mutex示例

using System.Threading;

class Counter
{
    private int count = 0;
    private Mutex mutex = new Mutex();

    public void Increment()
    {
        mutex.WaitOne();
        try 
        {
            count++;
        }
        finally 
        {
            mutex.ReleaseMutex();
        }
    }

    public void Decrement()
    {
        mutex.WaitOne();
        try 
        {
            count--;
        }
        finally 
        {
            mutex.ReleaseMutex();
        }
    }

    public int GetCount()
    {
        mutex.WaitOne();
        try 
        {
            return count;
        }
        finally 
        {
            mutex.ReleaseMutex();
        }
    }
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Counter c = new Counter();
        Thread t1 = new Thread(() => {
            for(int i = 0; i < 100000; i++) 
            {
                c.Increment();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() => {
            for(int i = 0; i < 100000; i++) 
            {
                c.Decrement();
            }
        });
        t1.Start();
        t2.Start();
        t1.Join();
        t2.Join();
        Console.WriteLine($"Count: {c.GetCount()}");
    }
}

这个示例演示了如何使用Mutex来保护一个计数器的临界区。Counter类有三个方法：Increment、Decrement和GetCount，这些方法分别执行对计数器的加、减和读操作。每个方法都获取Mutex的锁，并在临界区执行相应的操作。需要注意的是，在GetCount方法中也需要获取Mutex的锁，以保证读操作的安全性。

Monitor示例

using System.Threading;

class BankAccount
{
    private int balance = 0;

    public void Deposit(int amount)
    {
        lock(this) 
        {
            balance += amount;
        }
    }

    public void Withdraw(int amount)
    {
        lock(this) 
        {
            if(balance >= amount)
            {
                balance -= amount;
            }
            else 
            {
                throw new Exception("Insufficient funds");
            }
        }
    }

    public int GetBalance()
    {
        lock(this) 
        {
            return balance;
        }
    }
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        BankAccount account = new BankAccount();
        Thread t1 = new Thread(() => {
            for(int i = 0; i < 100000; i++) 
            {
                account.Deposit(10);
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() => {
            for(int i = 0; i < 100000; i++) 
            {
                account.Withdraw(10);
            }
        });
        t1.Start();
        t2.Start();
        t1.Join();
        t2.Join();
        Console.WriteLine($"Balance: {account.GetBalance()}");
    }
}

这个示例演示了如何使用Monitor来保护一个银行账户的临界区。BankAccount类有三个方法：Deposit、Withdraw和GetBalance，这些方法分别执行对账户余额的存、取和读操作。使用lock(this)来获取锁，确保每个方法执行时都只有一个线程能够访问临界区。需要注意的是，在Withdraw方法中，如果余额不足，则会抛出异常。同时，GetBalance方法也会获取锁，以保证读操作的安全性。