C#中的锁机制详解

在C#中，锁是用于多线程编程中同步访问共享资源的重要机制。以下是C#中主要的锁类型及其特点和应用场景：

1. lock 关键字 (Monitor类)

​​特点​​：

• 最常用的锁机制，实际上是语法糖，底层使用Monitor类
• 提供互斥访问，同一时间只允许一个线程进入临界区
• 支持重入（同一线程可以多次获取同一个锁）
• 不支持超时设置
• 基于对象引用作为同步对象

​​应用场景​​：

• 简单的线程同步需求
• 保护共享数据结构的访问
• 需要简单互斥的场景

​​示例​​：

csharp

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private readonly object _lockObj = new object();

void ThreadSafeMethod()
{
    lock (_lockObj)
    {
        // 临界区代码
    }
}

2. Monitor 类

​​特点​​：

• lock关键字的底层实现
• 提供更多控制，如TryEnter方法可设置超时
• 支持条件等待（Wait/Pulse/PulseAll）
• 需要手动释放锁

​​应用场景​​：

• 需要超时控制的同步场景
• 需要更精细控制的线程同步
• 生产者-消费者模式

​​示例​​：

csharp

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private readonly object _monitorObj = new object();

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

3. Mutex (互斥体)

​​特点​​：

• 系统范围的锁，可用于跨进程同步
• 比Monitor更重量级，性能开销更大
• 支持命名，可用于跨进程同步
• 支持超时设置
• 需要手动释放

​​应用场景​​：

• 跨进程的同步需求
• 需要系统范围互斥的场景
• 长时间持有的锁

​​示例​​：

csharp

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using var mutex = new Mutex(false, "Global\\MyNamedMutex");

try
{
    if (mutex.WaitOne(TimeSpan.FromSeconds(1)))
    {
        // 临界区代码
    }
}
finally
{
    mutex.ReleaseMutex();
}

4. Semaphore 和 SemaphoreSlim

​​特点​​：

• 信号量，允许多个线程同时访问资源（数量可控制）
• Semaphore是系统范围的，SemaphoreSlim是轻量级的进程内版本
• 适合资源池场景
• SemaphoreSlim性能更好，但不支持跨进程

​​应用场景​​：

• 限制并发访问数量
• 资源池管理
• 需要允许多个线程同时访问但有限制的场景

​​示例​​：

csharp

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private readonly SemaphoreSlim _semaphore = new SemaphoreSlim(3, 3); // 允许3个并发

async Task AccessResourceAsync()
{
    await _semaphore.WaitAsync();
    try
    {
        // 临界区代码（最多3个线程同时执行）
    }
    finally
    {
        _semaphore.Release();
    }
}

5. ReaderWriterLock 和 ReaderWriterLockSlim

​​特点​​：

• 读写锁，允许多个读或单个写
• ReaderWriterLockSlim是改进版本，性能更好
• 支持递归（可配置）
• 读锁可升级为写锁

​​应用场景​​：

• 读多写少的场景
• 需要区分读写访问的共享资源
• 数据库缓存等高频读取偶尔写入的场景

​​示例​​：

csharp

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private readonly 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();
    }
}

6. SpinLock

​​特点​​：

• 自旋锁，线程会忙等待而不是阻塞
• 轻量级，适合短时间等待
• 不支持递归（默认）
• 值类型，没有GC压力

​​应用场景​​：

• 极短时间的临界区保护
• 高频率、低竞争的同步场景
• 性能关键的代码路径

​​示例​​：

csharp

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private SpinLock _spinLock = new SpinLock();

void ThreadSafeMethod()
{
    bool lockTaken = false;
    try
    {
        _spinLock.Enter(ref lockTaken);
        // 临界区代码
    }
    finally
    {
        if (lockTaken)
            _spinLock.Exit();
    }
}

7. Interlocked 类

​​特点​​：

• 提供原子操作，无需锁
• 性能极高
• 仅限于简单操作（递增、递减、比较交换等）

​​应用场景​​：

• 简单的原子操作
• 计数器等简单共享变量
• 无锁编程

​​示例​​：

csharp

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private int _counter = 0;

void IncrementCounter()
{
    Interlocked.Increment(ref _counter);
}

选择锁的指导原则

1. ​​简单优先​​：优先使用最简单的lock关键字，除非有特殊需求
2. ​​范围考虑​​：进程内同步优先选择轻量级锁，跨进程才用Mutex或命名Semaphore
3. ​​读写比例​​：读多写少考虑ReaderWriterLockSlim
4. ​​等待时间​​：短时间等待考虑SpinLock，长时间等待用Monitor或Mutex
5. ​​并发控制​​：需要限制并发数用SemaphoreSlim
6. ​​原子操作​​：简单操作优先考虑Interlocked

避免常见问题

1. ​​死锁​​：避免嵌套锁，按固定顺序获取多个锁
2. ​​锁粒度​​：锁的粒度要适中，过大影响并发，过小增加开销
3. ​​锁持续时间​​：尽量减少持有锁的时间
4. ​​递归锁​​：谨慎使用递归锁，可能导致意外行为
5. ​​异常处理​​：确保在finally块中释放锁