并發(fā)編程 - 線程同步（七）之互斥鎖Monitor

學(xué)習(xí)C#互斥鎖Monitor，注意避免鎖定值類型和try/finally錯誤，善用TryEnter避免長時間持鎖，以及使用Wait、Pulse等方法實現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式。示例代碼和測試方法在代碼庫。

通過前面對鎖lock的基本使用以及注意事項的學(xué)習(xí)，相信大家對鎖的同步機(jī)制有了大致了解，今天我們將繼續(xù)學(xué)習(xí)——互斥鎖Monitor。

lock是C#語言中的關(guān)鍵字，是語法糖，lock語句最終會由C#編譯器解析成Monitor類實現(xiàn)相關(guān)語句。

例如以下lock語句：

lock (obj)
{
    //同步代碼塊
}

最終會被解析成以下代碼：

Monitor.Enter(obj);
try
{
    //同步代碼塊
}
finally
{
    Monitor.Exit(obj);
}

lock關(guān)鍵字簡潔且易于使用，而Monitor類則功能強(qiáng)大，能夠提供比lock關(guān)鍵字更細(xì)粒度、更靈活的控制以及更多的功能。

因為lock關(guān)鍵字是Monitor類的語法糖，因此lock關(guān)鍵字面臨的問題，Monitor類同樣也會面臨。當(dāng)然也會存在一些Monitor類特有的問題。

下面我們一起詳細(xì)學(xué)習(xí)Monitor類的注意事項以及實現(xiàn)一個簡單的生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式示例代碼。

01、避免鎖定值類型

這是因為 Monitor.Enter方法的參數(shù)為Object類型，這就導(dǎo)致如果傳遞值類型會導(dǎo)致值類型被裝箱，進(jìn)而導(dǎo)致線程在已裝箱的對象上獲取鎖，最終線程每次調(diào)用Monitor.Enter方法都在一個完全不同的對象上獲取鎖，導(dǎo)致鎖失效，無法實現(xiàn)線程同步。

看看下面這個代碼示例：

public class LockValueTypeExample
{
    private static readonly int _lock = 88;
    public void Method1()
    {
        try
        {
            Monitor.Enter(_lock);
            var threadId = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;
            Console.WriteLine($"線程 {threadId} 通過 lock(值類型) 鎖進(jìn)入 Method1");
            Console.WriteLine($"進(jìn)入時間 {DateTime.Now:HH:mm:ss}");
            Console.WriteLine($"開始休眠 5 秒");
            Console.WriteLine($"------------------------------------");
            Thread.Sleep(5000);
        }
        finally
        {
            Console.WriteLine($"開始釋放鎖 {DateTime.Now:HH:mm:ss}");
            Monitor.Exit(_lock);
            Console.WriteLine($"完成鎖釋放 {DateTime.Now:HH:mm:ss}");
        }
    }
}
public static void LockValueTypeRun()
{
    var example = new LockValueTypeExample();
    var thread1 = new Thread(example.Method1);
    thread1.Start();
}

看看執(zhí)行結(jié)果：

可以發(fā)現(xiàn)在釋放鎖的時候拋出異常，大致意思是：“對象同步方法在未同步的代碼塊中被調(diào)用。”，這就是因為鎖定的地方和釋放的地方鎖已經(jīng)不一樣了。

02、小心try/finally

如上面的例子，Monitor.Enter方法是寫在try塊中，試想一下：如果在Monitor.Enter方法之前拋出了異常會怎樣異常？看下面這段代碼：

public class LockBeforeExceptionExample
{
    private static readonly object _lock = new object();
    public void Method1()
    {
        try
        {
            if (new Random().Next(2) == 1)
            {
                Console.WriteLine($"在調(diào)用Monitor.Enter前發(fā)生異常");
                throw new Exception("在調(diào)用Monitor.Enter前發(fā)生異常");
            }
            Monitor.Enter(_lock);
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine($"捕捉到異常：{ex.Message}");
        }
        finally
        {
            Console.WriteLine($"開始釋放鎖 {DateTime.Now:HH:mm:ss}");
            Monitor.Exit(_lock);
            Console.WriteLine($"完成鎖釋放 {DateTime.Now:HH:mm:ss}");
        }
    }
}
public static void LockBeforeExceptionRun()
{
    var example = new LockBeforeExceptionExample();
    var thread1 = new Thread(example.Method1);
    thread1.Start();
}

上面代碼是在調(diào)用Monitor.Enter方法前隨機(jī)拋出異常，當(dāng)發(fā)生異常后，可以在釋放鎖的時候和鎖定值類型報了同樣的錯誤，執(zhí)行結(jié)果如下：

這是因為還沒有執(zhí)行鎖定就拋出異常，導(dǎo)致釋放一個沒有鎖定的鎖。

那要如何解決這個問題呢？Monitor類已經(jīng)考慮到了這種情況，并給出了解決辦法——使用Monitor.Enter的第二個參數(shù)lockTaken，當(dāng)獲取鎖定成功則更改lockTaken為true。如此在finally的時候只需要判斷l(xiāng)ockTaken即可決定是否需要執(zhí)行釋放鎖操作，具體代碼如下：

public class LockSolveBeforeExceptionExample
{
    private static readonly object _lock = new object();
    public void Method1()
    {
        var lockTaken = false;
        try
        {
            if (new Random().Next(2) == 1)
            {
                Console.WriteLine($"在調(diào)用Monitor.Enter前發(fā)生異常");
                throw new Exception("在調(diào)用Monitor.Enter前發(fā)生異常");
            }
            Monitor.Enter(_lock,ref lockTaken);
        }
        catch (Exception ex)
        {
            Console.WriteLine($"捕捉到異常：{ex.Message}");
        }
        finally
        {
            if (lockTaken)
            {
                Console.WriteLine($"開始釋放鎖 {DateTime.Now:HH:mm:ss}");
                Monitor.Exit(_lock);
                Console.WriteLine($"完成鎖釋放 {DateTime.Now:HH:mm:ss}");
            }
            else
            {
                Console.WriteLine($"未執(zhí)行鎖定，無需釋放鎖");
            }
        }
    }
}
public static void LockSolveBeforeExceptionRun()
{
    var example = new LockSolveBeforeExceptionExample();
    var thread1 = new Thread(example.Method1);
    thread1.Start();
}

執(zhí)行結(jié)果如下：

03、善用TryEnter

我們知道使用鎖應(yīng)當(dāng)避免長時間持有鎖，長時間持有鎖會阻塞其他線程，影響性能。我們可以通過Monitor.TryEnter指定超時時間，可以看看下面示例代碼：

public class LockTryEnterExample
{
    private static readonly object _lock = new object();
    public void Method1()
    {
        try
        {
            Monitor.Enter(_lock);
            Console.WriteLine($"Method1 | 獲取鎖成功，并鎖定 5 秒");
            Thread.Sleep(5000);
        }
        finally
        {
            Monitor.Exit(_lock);
        }
    }
    public void Method2()
    {
        Console.WriteLine($"Method2 | 嘗試獲取鎖");
        if (Monitor.TryEnter(_lock, 3000))
        {
            try
            {
            }
            finally
            {
            }
        }
        else
        {
            Console.WriteLine($"Method2 | 3 秒內(nèi)未獲取到鎖，自動退出鎖");
        }
    }
    public void Method3()
    {
        Console.WriteLine($"Method3 | 嘗試獲取鎖");
        if (Monitor.TryEnter(_lock, 7000))
        {
            try
            {
                Console.WriteLine($"Method3 | 7 秒內(nèi)獲取到鎖");
            }
            finally
            {
                Console.WriteLine($"Method3 |開始釋放鎖");
                Monitor.Exit(_lock);
                Console.WriteLine($"Method3 |完成鎖釋放");
            }
        }
        else
        {
            Console.WriteLine($"Method3 | 7 秒內(nèi)未獲取到鎖，自動退出鎖");
        }
    }
}
public static void LockTryEnterRun()
{
    var example = new LockTryEnterExample();
    var thread1 = new Thread(example.Method1);
    var thread2 = new Thread(example.Method2);
    var thread3 = new Thread(example.Method3);
    thread1.Start();
    thread2.Start();
    thread3.Start();
}

執(zhí)行結(jié)果如下：

可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)Method1鎖定5秒后，Method2嘗試3秒內(nèi)獲取鎖，結(jié)果并未獲取到自動退出；然后Method3嘗試7秒內(nèi)獲取鎖，結(jié)果獲取到鎖并正確釋放鎖。

04、實現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式

除了上面介紹的方法，Monitor類還有Wait、Pulse、PulseAll等方法。

Wait： 該方法用于將當(dāng)前線程放入等待隊列，直到收到其他線程的信號通知。

Pulse： 該方法用于喚醒等待隊列中的一個線程。當(dāng)一個線程調(diào)用 Pulse 時，它會通知一個正在等待該對象鎖的線程繼續(xù)執(zhí)行。

PulseAll： 該方法用于喚醒等待隊列中的所有線程。

然后我們利用Monitor類的這些功能來實現(xiàn)一個簡單的生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式。大致思路如下：

1.首先啟動生產(chǎn)者線程，獲取鎖，然后生成數(shù)據(jù)；

2.當(dāng)生產(chǎn)者生產(chǎn)的數(shù)據(jù)小于數(shù)據(jù)隊列長度，則生產(chǎn)一條數(shù)據(jù)同時通知消費(fèi)者線程進(jìn)行消費(fèi)，否則暫停當(dāng)前線程等待消費(fèi)者線程消費(fèi)數(shù)據(jù)；

3.然后啟動消費(fèi)者線程，獲取鎖，然后消費(fèi)數(shù)據(jù)；

4.當(dāng)數(shù)據(jù)隊列中有數(shù)據(jù)，則消費(fèi)一條數(shù)據(jù)同時通知生產(chǎn)者線程可以生產(chǎn)數(shù)據(jù)了，否則暫停當(dāng)前線程等待生產(chǎn)者線程生產(chǎn)數(shù)據(jù)；

具體代碼如下：

public class LockProducerConsumerExample
{
    private static Queue<int> queue = new Queue<int>();
    private static object _lock = new object();
    //生產(chǎn)者
    public  void Producer()
    {
        while (true)
        {
            lock (_lock)
            {
                Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Red;
                if (queue.Count < 3)
                {
                    var item = new Random().Next(100);
                    queue.Enqueue(item);
                    Console.WriteLine($"生產(chǎn)者，生產(chǎn)： {item}");
                    //喚醒消費(fèi)者
                    Monitor.Pulse(_lock);  
                }
                else
                {
                    //隊列滿時，生產(chǎn)者等待
                    Console.WriteLine($"隊列已滿，生產(chǎn)者等待中……");
                    Monitor.Wait(_lock);  
                }
            }
            Thread.Sleep(500);
        }
    }
    // 消費(fèi)者
    public  void Consumer()
    {
        while (true)
        {
            lock (_lock)
            {
                Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Blue;
                if (queue.Count > 0)
                {
                    var item = queue.Dequeue();
                    Console.WriteLine($"消費(fèi)者，消費(fèi)： {item}");
                    //喚醒生產(chǎn)者
                    Monitor.Pulse(_lock);  
                }
                else
                {
                    //隊列空時，消費(fèi)者等待
                    Console.WriteLine($"隊列已空，消費(fèi)者等待中……");
                    Monitor.Wait(_lock);  
                }
            }
            Thread.Sleep(10000);
        }
    }
}
public static void LockProducerConsumerRun()
{
    var example = new LockProducerConsumerExample();
    var thread1 = new Thread(example.Producer);
    var thread2 = new Thread(example.Consumer);
    thread1.Start();
    thread2.Start();
    thread1.Join();
    thread2.Join();
}

執(zhí)行結(jié)果如下：

注：測試方法代碼以及示例源碼都已經(jīng)上傳至代碼庫，有興趣的可以看看。https://gitee.com/hugogoos/Planner

posted @ 2025-02-13 15:54 IT規(guī)劃師閱讀(887) 評論(0) 收藏舉報

刷新頁面返回頂部

IT規(guī)劃師

微信搜索：IT規(guī)劃師

并發(fā)編程 - 線程同步（七）之互斥鎖Monitor

01、避免鎖定值類型

02、小心try/finally

03、善用TryEnter

04、實現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式

公告