编码技巧 --- 同步锁对象的选定

陈小雪

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.”

1. public partial class Form1 : Form
2. {
3.     public Form1()
4.     {
5.         InitializeComponent();
6.     }
8.     AutoResetEvent autoResetEvent = new AutoRe
10.     List<string> strings = new List<string>()
12.     private void btn_StartThreads_Click(object
13.     {
14.         object syncObj = new object();
16.         Thread t1 = new Thread(() =>
17.         {
18.             //确保等待t2开始之后才运行下面的代码
19.             autoResetEvent.WaitOne();
21.             lock (syncObj)
22.             {
23.                 foreach (var item in strings)
24.                 {
25.                     Thread.Sleep(1000);
26.                 }
27.             }
28.         });
29.         t1.IsBackground = false;
31.         t1.Start();
33.         Thread t2 = new Thread(() =>
34.         {
35.             autoResetEvent.Set();
37.             Thread.Sleep(1000);
39.             lock (syncObj)
40.             {
41.                 strings.RemoveAt(1);
42.             }
44.         });
45.         t2.IsBackground = false;
47.         t2.Start();
48.     }
49. }

复制代码

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：

1. public partial class Form1 : Form
2. {
3.     public Form1()
4.     {
5.         InitializeComponent();
6.     }
8.     private void btn_StartThreads_Click(object sender, EventArgs e)
9.     {
10.         SampleClass sampleClass1 = new SampleClass();
11.         SampleClass sampleClass2 = new SampleClass();
12.         sampleClass1.StartT1();
13.         sampleClass2.StartT2();
14.     }
15. }
17. public class SampleClass
18. {
19.     public static AutoResetEvent autoResetEvent = new AutoResetEvent(false);
21.     static List<string> strings = new List<string>() { "str1", "str2", "str3" };
23.     object syncObj = new object();
25.     public void StartT1()
26.     {
27.         Thread t1 = new Thread(() =>
28.         {
29.             //确保等待t2开始之后才运行下面的代码
30.             autoResetEvent.WaitOne();
32.             lock (syncObj)
33.             {
34.                 foreach (var item in strings)
35.                 {
36.                     Thread.Sleep(1000);
37.                 }
38.             }
39.         });
40.         t1.IsBackground = false;
42.         t1.Start();
43.     }
44.     public void StartT2()
45.     {
46.         Thread t2 = new Thread(() =>
47.         {
48.             autoResetEvent.Set();
50.             Thread.Sleep(1000);
52.             lock (syncObj)
53.             {
54.                 strings.RemoveAt(1);
55.             }
57.         });
58.         t2.IsBackground = false;
60.         t2.Start();
61.     }
62. }

复制代码

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：

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

复制代码

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）。

本篇内容引用自
编写高质量代码：改善C#程序的157个建议 / 陆敏技著.一北京：机械工业出版社，2011.9

来源:https://www.cnblogs.com/pandefu/archive/2023/07/13/17536276.html
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