在C#中的锁

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在C#中，锁（Lock）是一种同步机制，用于确保在多线程环境中，同一时间只有一个线程能够访问共享资源，从而避免数据竞争和线程安全问题。C#提供了多种锁机制，最常用的是lock关键字，此外还有Monitor类、Mutex类、Semaphore类等。以下是对这些锁机制的详细介绍：

1. `lock`关键字

lock是C#中最常用的锁机制，它基于Monitor类实现，提供了一种简单易用的方式来保护共享资源。

语法

lock (object)
{
    // 需要同步的代码块
}

object是一个引用类型对象，用于作为锁的同步对象。它必须是一个唯一的对象实例，通常是一个私有静态字段或实例字段。

示例

public class Counter
{
    private int count = 0;
    private readonly object lockObject = new object();

    public void Increment()
    {
        lock (lockObject)
        {
            count++;
        }
    }

    public int GetCount()
    {
        lock (lockObject)
        {
            return count;
        }
    }
}

在这个例子中，lockObject是锁对象，Increment和GetCount方法中的代码块被lock保护，确保同一时间只有一个线程可以访问count变量。

特点

简单易用：语法简洁，适合大多数线程同步场景。
基于Monitor：lock实际上是Monitor.Enter和Monitor.Exit的封装。
异常安全：即使在同步代码块中发生异常，lock也会确保锁被释放。
不可重入：默认情况下，lock是非重入的，即同一个线程不能多次获取同一个锁。

2. `Monitor`类

Monitor类提供了更底层的线程同步机制，lock关键字实际上是基于Monitor实现的。Monitor类提供了更多的控制能力，例如等待（Wait）和通知（Pulse）。

常用方法

Monitor.Enter(object)：获取锁。
Monitor.Exit(object)：释放锁。
Monitor.Wait(object)：释放锁并使当前线程等待，直到被唤醒。
Monitor.Pulse(object)：唤醒一个等待的线程。
Monitor.PulseAll(object)：唤醒所有等待的线程。

示例

public class Counter
{
    private int count = 0;
    private readonly object lockObject = new object();

    public void Increment()
    {
        Monitor.Enter(lockObject);
        try
        {
            count++;
        }
        finally
        {
            Monitor.Exit(lockObject);
        }
    }

    public int GetCount()
    {
        Monitor.Enter(lockObject);
        try
        {
            return count;
        }
        finally
        {
            Monitor.Exit(lockObject);
        }
    }
}

3. `Mutex`类

Mutex（互斥锁）是一种更高级的同步机制，可以用于跨进程的线程同步。它分为命名Mutex和匿名Mutex。

特点

跨进程同步：可以用于多个进程之间的同步。
性能开销较大：相比lock和Monitor，Mutex的性能开销更高。

示例

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

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

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

4. `Semaphore`类

Semaphore（信号量）是一种计数器，用于控制多个线程对共享资源的访问。它可以限制同时访问共享资源的线程数量。

特点

限制并发数量：可以指定最大并发数。
适用于资源池：例如数据库连接池、线程池等。

示例

public class Counter
{
    private int count = 0;
    private Semaphore semaphore = new Semaphore(1, 1); // 最大并发数为1

    public void Increment()
    {
        semaphore.WaitOne();
        try
        {
            count++;
        }
        finally
        {
            semaphore.Release();
        }
    }

    public int GetCount()
    {
        semaphore.WaitOne();
        try
        {
            return count;
        }
        finally
        {
            semaphore.Release();
        }
    }
}

5. `ReaderWriterLockSlim`类

ReaderWriterLockSlim是一种读写锁，允许多个线程同时读取共享资源，但写入时需要独占访问。

特点

提高读取性能：允许多个线程同时读取。
写入独占：写入时需要独占锁。

示例

public class Counter
{
    private int count = 0;
    private ReaderWriterLockSlim rwLock = new ReaderWriterLockSlim();

    public void Increment()
    {
        rwLock.EnterWriteLock();
        try
        {
            count++;
        }
        finally
        {
            rwLock.ExitWriteLock();
        }
    }

    public int GetCount()
    {
        rwLock.EnterReadLock();
        try
        {
            return count;
        }
        finally
        {
            rwLock.ExitReadLock();
        }
    }
}