c#多线程之间的排他锁的实现

当多个线程同时访问共享数据时，就会出现竞态条件（race condition）。这时候我们就需要使用“锁机制”（lock mechanism）来防止多个线程同时访问共享数据，保证线程安全性。其中一个经典的锁机制就是“排他锁”（exclusive lock），也称为“互斥锁”（mutex）。

下面是c#多线程中排他锁实现的攻略：

一、排他锁的概念

排他锁即互斥锁（mutex），是一种用于保护共享资源，防止在同一时间访问同一个资源的锁。基本原则是：在同一时间只允许一个线程访问共享资源。

二、c#中排他锁的实现

在c#中，排他锁由System.Threading.Mutex类实现。该类提供了一个构造函数Mutex(bool initialValue)和两个方法WaitOne()和ReleaseMutex()来实现互斥访问。

2.1 Mutex构造函数

Mutex(bool initialValue)：创建一个Mutex实例，并且通过initialValue参数指定初始值。initialValue为true则当前线程拥有Mutex，否则Mutex为空闲状态。

示例代码：

Mutex mutex = new Mutex(false); //初始值为false

2.2 WaitOne()方法

WaitOne()：线程试图获取Mutex，如果Mutex未被占用，该线程将拥有Mutex并进入运行状态。如果Mutex已被占用，则该线程将等待，直到其它线程释放Mutex。

示例代码：

mutex.WaitOne();
// 线程执行操作
mutex.ReleaseMutex();

2.3 ReleaseMutex()方法

ReleaseMutex()：释放Mutex。

示例代码：

mutex.ReleaseMutex();

三、实例说明

3.1 简单实例

下面是一个简单的示例，展示Mutex的基本使用流程。

class MutexDemo
{
    static Mutex mutex = new Mutex();

    static void Main(string[] args)
    {
        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
            Thread t = new Thread(Print);
            t.Start();
        }

        Console.ReadKey();
    }

    static void Print()
    {
        mutex.WaitOne();
        Console.WriteLine($"线程{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}: 进入");
        Thread.Sleep(1000);
        Console.WriteLine($"线程{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}: 退出");
        mutex.ReleaseMutex();
    }
}

上面的代码中，我们创建了一个Mutex实例，然后创建了5个线程，在每个线程中调用WaitOne()方法获取Mutex，执行一些操作，最后释放Mutex。

输出示例：

线程4: 进入
线程4: 退出
线程3: 进入
线程3: 退出
线程5: 进入
线程5: 退出
线程6: 进入
线程6: 退出
线程7: 进入
线程7: 退出

可以看出，每个线程都互斥地获取了Mutex，并且按照顺序执行，保证了线程安全性。

3.2 使用Mutex实现自旋锁

Mutex还可以用于实现自旋锁（spin lock），即不断检测共享资源是否可用，不可用则一直等待。这种锁适用于共享资源被持有的时间较短的场景。

下面是自旋锁示例代码：

class SpinLockDemo
{
    static Mutex mutex = new Mutex();

    static void Main(string[] args)
    {
        for (int i = 0; i < 5; i++)
        {
            Thread t = new Thread(SpinLock);
            t.Start();
        }

        Console.ReadKey();
    }

    static void SpinLock()
    {
        bool lockTaken = false;
        while (!lockTaken)
        {
            lockTaken = mutex.WaitOne(500);
            if (!lockTaken)
                Console.WriteLine($"线程{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}: 等待");
            else
            {
                Console.WriteLine($"线程{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}: 进入");
                Thread.Sleep(1000);
                Console.WriteLine($"线程{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}: 退出");
                mutex.ReleaseMutex();
            }
        }
    }
}

上面的代码中，我们不断通过循环调用WaitOne()方法检查Mutex是否可用。如果Mutex不可用，则线程进入等待状态；如果Mutex可用，则获取Mutex，并执行一些操作，最后释放Mutex。

输出示例：

线程4: 进入
线程4: 退出
线程3: 等待
线程5: 等待
线程6: 等待
线程7: 等待
线程3: 等待
线程5: 进入
线程5: 退出
线程6: 等待
线程7: 进入
线程7: 退出
线程6: 等待
线程3: 进入
线程3: 退出

可以看出，在Mutex被释放后，其它线程才有机会获取Mutex，保证了线程安全性。同时，Mutex的获取都是互斥的，保证了共享资源的一致性。