编码技巧 --- 同步锁对象的选定

Niuery Diary

发布于 2023-10-22 16:59:55

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发布于 2023-10-22 16:59:55

文章被收录于专栏：Niuery的技术日记

引言

在C#中，让线程同步有两种方式：

锁（lock、Monitor）
信号量（EventWaitHandle、Semaphore、Mutex）

线程锁的原理，就是锁住一个资源，使得应用程序在此刻只有一个线程访问该资源。通俗地讲，就是让多线程变成单线程。在C#中，可以将被锁定的资源理解成 new 出来的普通CLR对象。

如何选定

既然需要锁定的资源就是C#中的一个对象，我们就该仔细思考，到底什么样的对象能够成为一个锁对象（也叫同步对象）？

那么选择同步对象的时候，应当始终注意以下几点：

同步对象在需要同步的多个线程中是可见的同一个对象。
在非静态方法中，静态变量不应作为同步对象。
值类型对象不能作为同步对象。
避免将字符串作为同步对象。
降低同步对象的可见性。

原因分析

接下来就探讨一下这五种情况。

「注意事项1：需要锁定的对象在多个线程中是可见的，而且是同一个对象。」

“可见的”这是显而易见的，如果对象不可见，就不能被锁定。

“同一个对象”，这也很容易理解，如果锁定的不是同一个对象，那又如何来同步两个对象呢？

虽然理解起来简单，但不见得我们在这上面就不会犯错误。

我们模拟一个必须使用到锁的场景：在遍历一个集合的过程中，同时在另外一个线程中删除集合中的某项。

下面这个例子中，如果没有 lock 语句，将会抛出异常System.InvalidOperationException:“Collection was modified; enumeration operation may not execute.”

public partial class Form1 : Form
{
    public Form1()
    {
        InitializeComponent();
    }

    AutoResetEvent autoResetEvent = new AutoRe

    List<string> strings = new List<string>() 

    private void btn_StartThreads_Click(object
    {
        object syncObj = new object();

        Thread t1 = new Thread(() =>
        {
            //确保等待t2开始之后才运行下面的代码
            autoResetEvent.WaitOne();

            lock (syncObj)
            {
                foreach (var item in strings)
                {
                    Thread.Sleep(1000);
                }
            }
        });
        t1.IsBackground = false;

        t1.Start();

        Thread t2 = new Thread(() =>
        {
            autoResetEvent.Set();

            Thread.Sleep(1000);

            lock (syncObj)
            {
                strings.RemoveAt(1);
            }

        });
        t2.IsBackground = false;

        t2.Start();
    }
}

上述例子是 Winform 窗体应用程序，按钮的单击事件中演示该功能。对象 syncObj 对于线程 t1 和 t2 来说，在CLR中肯定是同一个对象。所以，上面的示例运行是没有问题的。

现在，我们将此示例重构。将实际的工作代码移到一个类型 SampleClass 中，该示例要在多个 SampleClass 实例间操作一个静态字段，如下所示：

public partial class Form1 : Form
{
    public Form1()
    {
        InitializeComponent();
    }

    private void btn_StartThreads_Click(object sender, EventArgs e)
    {
        SampleClass sampleClass1 = new SampleClass();
        SampleClass sampleClass2 = new SampleClass();
        sampleClass1.StartT1();
        sampleClass2.StartT2();
    }
}

public class SampleClass
{
    public static AutoResetEvent autoResetEvent = new AutoResetEvent(false);

    static List<string> strings = new List<string>() { "str1", "str2", "str3" };

    object syncObj = new object();

    public void StartT1()
    {
        Thread t1 = new Thread(() =>
        {
            //确保等待t2开始之后才运行下面的代码
            autoResetEvent.WaitOne();

            lock (syncObj)
            {
                foreach (var item in strings)
                {
                    Thread.Sleep(1000);
                }
            }
        });
        t1.IsBackground = false;

        t1.Start();
    }
    public void StartT2()
    {
        Thread t2 = new Thread(() =>
        {
            autoResetEvent.Set();

            Thread.Sleep(1000);

            lock (syncObj)
            {
                strings.RemoveAt(1);
            }

        });
        t2.IsBackground = false;

        t2.Start();
    }
}

该例子运行起来就会抛出异常System.InvalidOperationException:“Collection was modified; enumeration operation may not execute.”

查看类型 SampleClass 的方法 StartT1 和 StartT2 ,方法内部锁定的是 SampleClass 的实例变量 syncObj 。

实例变量意味着，每创建一个 SampleClass 的实例都会生成一个 syncObj 对象。

在本例中，调用者一共创建了两个 SampleClass 实例，继而分别调用：

samplel.StartTl();
sample2.StartT2();

也就是说，以上代码锁定的是两个不同的 syncObj ，这等于完全没有达到两个线程锁定同一个对象的目的。

要修正以上错误，只要将 syncObj 变成 static 就可以了。

另外，思考一下 lock(this) ，我们同样不建议在代码中编写这样的代码。如果两个对象的实例分别执行了锁定的代码，实际锁定的也就会是两个对象，完全不能达到同步的目的。

「第二个注意事项：在非静态方法中，静态变量不应作为同步对象。」

上文说到，要修正第一个注意事项中的示例问题，需要将 syncObj 变成 static。这似乎和本注意事项有矛盾。事实上，第一个注意事项中的示例代码仅仅出于演示的目的，在实际应用中，我们非常不建议编写此类代码。

在编写多线程代码时，要遵循这样的一个原则：

「类型的静态方法应当保证线程安全，非静态方法不需实现线程安全。」

FCL中的绝大部分类都遵循了这个原则。

像上一个示例中，如果将 syncObj 变成 static，就相当于让非静态方法具备了线程安全性，这带来的一个问题是，如果应用程序中该类型存在多个实例，在遇到这个锁的时候，它们都会产生同步，而这可能不是开发者所愿意看到的。第二个注意事项实际也可以归纳到第一个注意事项中。

「第三个注意事项：值类型对象不能作为同步对象。」

值类型在传递到另一个线程的时候，会创建一个副本，这相当于每个线程锁定的也是两个对象。因此，值类型对象不能作为同步对象。「第四个注意事项：锁定字符串是完全没有必要的，而且相当危险。」

这整个过程看上去和值类型正好相反。字符串在CLR中会被暂存到内存里，如果有两个变量被分配了相同内容的字符串，那么这两个引用会被指向同一块内存。所以，如果有两个地方同时使用了lock(“abc”) ，那么它们实际锁定的是同一个对象，这会导致整个应用程序被阻滞。

「第五个注意事项：降低同步对象的可见性。」

可见范围最广的一种同步对象是 typeof(SampleClass)。

typeof()方法所返回的结果（也就是类型的type)是SampleClass 的所有实例所共有的，即：所有实例的type都指向typeof方法的结果。

这样一来，如果我们 lock(typeof(SampleClass) ,当前应用程序中所有 SampleClass 的实例线程将会全部被同步。这样编码完全没有必要，而且这样的同步对象太开放了。

一般来说，同步对象也不应该是一个公共变量或属性。在FCL的早期版本中，一些常用的集合类型（如 ArrayList )提供了公共属性 SyncRoot ，让我们锁定以便进行一些线程安全的操作。

所以你一定会觉得我们刚才的结论不正确。其实不然，ArrayList 操作的大部分应用场景不涉及多线程同步，所以它的方法更多的是单线程应用场景。线程同步是一个非常耗时（低效）的操作。若 ArrayList 的所有非静态方法都要考虑线程安全，那么 ArrayList 完全可以将这个 SyncRoot 变成静态私有的。现在它将 SyncRoot 变为公开的，是让调用者自己去决定操作是否需要线程安全。

我们在编写代码时，除非有这样的要求，否则就应该始终考虑降低同步对象的可见性，将同步对象藏起来，只开放给自己或自己的子类就够了（需要开放给子类的情况其实也不多）。