请解释什么是线程同步和互斥，并说明它们在并发编程中的重要性

最新推荐文章于 2025-04-12 06:45:24 发布

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C#多线程与并发编程面试题专栏收录该内容

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线程同步和互斥是并发编程中非常重要的概念，主要用于解决多个线程同时访问共享资源时可能出现的问题，如数据不一致、竞态条件和死锁等。

1. 什么是线程同步？

线程同步（Thread Synchronization）是一种机制，用于确保多个线程在访问共享资源时按特定顺序执行，以避免竞态条件（Race Condition）。同步机制通常用于协调线程之间的执行顺序，使它们能够安全地共享资源。

线程同步的关键点

保护共享资源：防止多个线程同时读写同一个资源，导致数据不一致。
顺序控制：确保线程按照特定的逻辑顺序运行。
避免竞态条件：解决线程对共享资源的竞争问题。

常见的线程同步方法

锁（Lock）：如 C# 的 lock 关键字，确保同一时间只有一个线程可以进入临界区。
Monitor：提供更多控制功能，如超时等待、Pulse 和 Wait。
信号量（Semaphore）：限制可以访问资源的线程数量。
屏障（Barrier）：协调多个线程在特定点等待，直到所有线程都到达该点。

2. 什么是线程互斥？

线程互斥（Thread Mutual Exclusion，简称互斥）是线程同步的一种具体实现方式，强调 “同一时刻只有一个线程可以访问共享资源”。
互斥主要通过互斥量（Mutex）或其他同步原语实现，以确保线程对临界区（Critical Section）的独占访问。

互斥的关键点

独占访问：防止两个或多个线程同时操作同一资源。
防止冲突：解决数据竞争和资源争用问题。
实现手段：通过 Mutex、lock 等实现。

3. 线程同步与互斥的关系

线程同步是广义的协调机制，它包括互斥在内。例如，线程同步可能涉及线程之间的等待和通知，而不仅仅是访问资源的独占性。
线程互斥是同步的一种特定形式，用于确保线程对共享资源的独占访问。

4. 线程同步和互斥的重要性

在并发编程中，多个线程可能同时访问共享资源，例如变量、文件或数据库连接。这种情况如果没有妥善管理，会导致以下问题：

(1) 数据不一致

多个线程对同一数据同时读写，可能导致不可预测的结果。

示例：

int counter = 0;
void IncrementCounter()
{
    counter++;
}
Parallel.For(0, 1000, i => IncrementCounter());
Console.WriteLine(counter); // 可能不等于 1000

(2) 竞态条件

线程间的竞争会导致数据覆盖、丢失等问题。
解决方案：使用 lock 或其他同步机制。

(3) 死锁

多线程同时等待对方释放资源时，程序进入僵死状态。
避免方法：使用锁的超时机制或正确的锁顺序。

(4) 性能下降

如果没有合理的同步设计，线程可能频繁等待和上下文切换，导致性能下降。

5. C# 中的线程同步与互斥实现

(1) 使用 lock 关键字

lock 是一种简单的互斥实现，用于保护临界区。

private static readonly object _lockObj = new object();
int counter = 0;

void IncrementCounter()
{
    lock (_lockObj)
    {
        counter++;
    }
}

特点：

简单易用。
自动释放锁。

(2) 使用 Monitor

Monitor 提供比 lock 更细粒度的控制，例如超时等待。

private static readonly object _monitorObj = new object();

void IncrementWithMonitor()
{
    if (Monitor.TryEnter(_monitorObj, TimeSpan.FromSeconds(1)))
    {
        try
        {
            // 临界区代码
        }
        finally
        {
            Monitor.Exit(_monitorObj);
        }
    }
}

(3) 使用 Semaphore

信号量允许多个线程同时访问一定数量的资源。

Semaphore semaphore = new Semaphore(3, 3); // 最多允许3个线程同时访问

void AccessResource()
{
    semaphore.WaitOne(); // 请求信号量
    try
    {
        // 临界区代码
    }
    finally
    {
        semaphore.Release(); // 释放信号量
    }
}

(4) 使用 Mutex

Mutex 是跨进程的互斥锁。

Mutex mutex = new Mutex();

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

(5) 使用 ReaderWriterLockSlim

适用于读多写少的场景。

ReaderWriterLockSlim rwLock = new ReaderWriterLockSlim();

void ReadData()
{
    rwLock.EnterReadLock();
    try
    {
        // 读取操作
    }
    finally
    {
        rwLock.ExitReadLock();
    }
}

void WriteData()
{
    rwLock.EnterWriteLock();
    try
    {
        // 写入操作
    }
    finally
    {
        rwLock.ExitWriteLock();
    }
}