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C# 中的多线程同步机制：lock、Monitor 和 Mutex 用法详解

article 2025/3/11 5:11:04

在多线程编程中，线程同步是确保多个线程安全地访问共享资源的关键技术。C# 提供了几种常用的同步机制，其中 lock、Monitor 和 Mutex 是最常用的同步工具。本文将全面介绍这三种同步机制的用法、优缺点以及适用场景，帮助开发者在多线程开发中做出合适的选择。

1. `lock` 关键字

1.1 概述

在 C# 中，lock 关键字是用于线程同步的最常用工具之一。lock 是 Monitor.Enter() 和 Monitor.Exit() 的语法糖，通过锁住一个共享资源来确保在同一时刻只有一个线程可以访问它。lock 适用于同一个进程中的线程同步，尤其是在多个线程访问共享数据时，能够有效地防止数据竞态和线程安全问题。

1.2 用法

lock 关键字的常见用法是围绕一个对象的引用，将其作为锁对象来同步线程。通常，lock 语句会包装一个临界区（共享资源访问区），当一个线程执行完临界区代码后，另一个线程才能进入临界区。

示例代码：

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    private static readonly object _lock = new object(); // 锁对象

    static void Main()
    {
        Thread t1 = new Thread(DoWork);
        Thread t2 = new Thread(DoWork);

        t1.Start();
        t2.Start();
    }

    static void DoWork()
    {
        lock (_lock) // 获取锁
        {
            Console.WriteLine("线程进入临界区...");
            Thread.Sleep(1000); // 模拟处理时间
            Console.WriteLine("线程离开临界区...");
        }
    }
}

说明：

在 lock (_lock) 中，_lock 是锁对象。lock 保证了在同一时刻只有一个线程可以进入 lock 语句块内部的代码。
lock 会在代码块执行完毕后自动释放锁，无需手动释放。

1.3 优缺点

优点：

语法简洁，易于理解和使用。
自动释放锁，减少了因为忘记释放锁而导致死锁的风险。

缺点：

只能用于同一个进程中的线程之间的同步，不能跨进程使用。
无法提供更多的同步控制，比如等待和通知机制。

2. `Monitor` 类

2.1 概述

Monitor 类是 C# 提供的底层同步机制，比 lock 更加灵活和精细。Monitor 提供了对锁的手动控制，允许你在获取锁后，等待其他线程的通知或条件满足才能继续执行。Monitor 适合那些需要更多同步控制的场景，比如等待和通知机制。

2.2 用法

Monitor 类提供了几个关键的方法：

Enter(object obj)：尝试获取锁，如果成功，线程继续执行。
Exit(object obj)：释放锁，允许其他线程访问锁定的资源。
Wait(object obj)：使当前线程等待，直到其他线程通知它。
Pulse(object obj)：唤醒一个等待该锁的线程。
PulseAll(object obj)：唤醒所有等待该锁的线程。

示例代码：

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    private static readonly object _lock = new object(); // 锁对象

    static void Main()
    {
        Thread t1 = new Thread(DoWork);
        Thread t2 = new Thread(DoWork);

        t1.Start();
        t2.Start();
    }

    static void DoWork()
    {
        Monitor.Enter(_lock); // 获取锁
        try
        {
            Console.WriteLine("线程进入临界区...");
            Thread.Sleep(1000); // 模拟工作
            Console.WriteLine("线程离开临界区...");
        }
        finally
        {
            Monitor.Exit(_lock); // 确保释放锁
        }
    }
}

说明：

Monitor.Enter(_lock) 获取锁，Monitor.Exit(_lock) 释放锁。
Monitor 更加底层，提供了细粒度的控制，适用于复杂的同步场景。
使用 try/finally 语句确保即使在发生异常时，也能释放锁。

2.3 优缺点

优点：

比 lock 更灵活，支持等待和通知机制，如 Wait、Pulse 和 PulseAll。
适用于需要更多控制的同步场景。

缺点：

使用起来相对复杂，容易出错，尤其是在手动管理锁时。
只支持同一进程内的线程同步。

3. `Mutex` 类

3.1 概述

Mutex 是 C# 中用于跨进程同步的同步机制。与 lock 和 Monitor 主要用于线程同步不同，Mutex 支持跨进程同步，因此可以用来在不同进程中协调对共享资源的访问。Mutex 的使用相对复杂，但它适用于需要在不同进程间进行同步的场景。

3.2 用法

Mutex 的使用方式与 lock 类似，但它允许在不同的进程间进行同步。Mutex 具有以下关键方法：

WaitOne()：请求获取互斥锁。
ReleaseMutex()：释放互斥锁，允许其他线程或进程获取锁。

示例代码：

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    private static Mutex mutex = new Mutex(); // 创建互斥体

    static void Main()
    {
        Thread t1 = new Thread(DoWork);
        Thread t2 = new Thread(DoWork);

        t1.Start();
        t2.Start();
    }

    static void DoWork()
    {
        mutex.WaitOne(); // 请求互斥锁
        Console.WriteLine("线程进入临界区...");
        Thread.Sleep(1000); // 模拟工作
        Console.WriteLine("线程离开临界区...");
        mutex.ReleaseMutex(); // 释放互斥锁
    }
}

说明：

mutex.WaitOne() 用来请求互斥锁，直到其他线程或进程释放锁。
mutex.ReleaseMutex() 用来释放互斥锁，允许其他线程或进程获取锁。

3.3 优缺点

优点：

Mutex 支持跨进程同步，适用于多个进程间的线程同步。
可以控制同一资源在不同进程间的访问。

缺点：

性能开销较大，尤其在涉及跨进程同步时。
使用起来较为复杂，需要手动释放锁。

4. `lock`、`Monitor` 和 `Mutex` 的对比

特性/方法	`lock`	`Monitor`	`Mutex`
使用场景	线程同步，适用于同一进程内的线程	线程同步，提供更多控制（如等待、通知）	跨进程同步和同一进程内的线程同步
性能	性能较好，简便易用	性能稍差，但提供更多控制	性能开销较大，尤其是跨进程同步时
跨进程支持	不支持	不支持	支持跨进程同步
异常处理	自动处理锁的释放	需要手动释放锁	需要手动释放锁
使用复杂度	简单易用	较复杂，需要手动处理等待和通知	较复杂，涉及跨进程操作
特点	语法简洁	更底层，支持等待和通知机制	可以跨进程同步