目錄

一、什么是臨界區？

二、Monitor類的用途

三、Monitor的基本用法

四、Monitor的工作原理

五、使用示例1-保護共享變量

解釋：

六、使用示例2-線程間信號傳遞

解釋：

七、注意事項

八、總結

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在多線程編程中，線程之間的同步和互斥是確保程序正確運行的關鍵。C# 提供了多種機制來實現線程同步，其中 Monitor 類是一個底層但功能強大的工具，用于實現線程間的互斥訪問。本文將詳細介紹如何使用 Monitor 類實現線程互斥，并通過示例展示其工作原理。

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一、什么是臨界區？

在多線程編程中，臨界區是指一段需要互斥訪問的代碼塊，通常涉及對共享資源的操作。為了避免多個線程同時操作共享資源而導致數據競爭或狀態不一致，我們需要對臨界區代碼進行保護。

例如，如果兩個線程同時修改一個共享變量，可能會導致最終結果不符合預期。因此，我們需要一種機制來確保同一時間只有一個線程可以進入臨界區。

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二、Monitor類的簡介

Monitor 類是 .NET 提供的一個低級線程同步工具，主要用于實現線程間的互斥訪問（Monitor 實現的線程互斥主要是一種軟件實現方法，但并不是基于經典的線程同步算法如單標志法、雙標志法或 Peterson 方法來實現的，而是基于現代操作系統和硬件提供的更高級別的同步原語（如原子操作和內核對象）構建的，這是因為單標志法、雙標志法和 Peterson 方法都依賴于輪詢（busy-waiting），這會導致 CPU 資源浪費，不適合現代多處理器環境）。與 lock 關鍵字不同，Monitor 提供了更細粒度的控制能力，允許開發者手動管理鎖的獲取和釋放。

Monitor 的主要方法包括：

• Monitor.Enter(object)：嘗試獲取指定對象的鎖。如果鎖已被占用，則當前線程會被阻塞，直到鎖被釋放。
• Monitor.TryEnter(object)：嘗試獲取指定對象的鎖，但不會無限期阻塞。它返回一個布爾值，指示是否成功獲取鎖。可以通過重載版本指定超時時間（以毫秒為單位），如果在指定時間內未能獲取鎖，則返回?false。
• Monitor.Exit(object)：釋放指定對象的鎖。
• Monitor.Wait(object)：釋放鎖并使當前線程進入等待狀態，直到其他線程調用?Monitor.Pulse?或?Monitor.PulseAll。
• Monitor.Pulse(object)：通知等待隊列中的一個線程繼續執行。
• Monitor.PulseAll(object)：通知等待隊列中的所有線程繼續執行。

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三、Monitor的基本用法

Monitor 的基本用法類似于 lock，但需要手動調用 Enter 和 Exit 方法。以下是一個簡單的例子：

private static readonly object _lock = new object(); // 鎖對象Monitor.Enter(_lock);
try
{// 需要同步的代碼塊
}
finally
{Monitor.Exit(_lock); // 確保鎖一定會被釋放
}

• _lock?是一個引用類型的對象，作為鎖的標識。
• 使用?try-finally?塊是為了確保即使發生異常，鎖也能被正確釋放。

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四、Monitor的工作原理

Monitor 類的核心思想是基于鎖對象的互斥機制：

1. 當線程調用?Monitor.Enter(object)?時，它會嘗試獲取指定對象的鎖。如果鎖已被其他線程占用，則當前線程會被掛起，直到鎖可用。
2. 當線程調用?Monitor.Exit(object)?時，它會釋放鎖，允許其他線程獲取該鎖。
3. Monitor.Wait?和?Monitor.Pulse?則用于實現線程間的信號傳遞，允許線程在特定條件下暫停或恢復執行。

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五、使用示例1-保護共享變量

下面是一個使用 Monitor 類保護共享變量的例子：

using System;
using System.Threading;class Program
{private static int _counter = 0;private static readonly object _lock = new object();static void Main(){Thread t1 = new Thread(IncrementCounter);Thread t2 = new Thread(IncrementCounter);t1.Start();t2.Start();t1.Join();t2.Join();Console.WriteLine($"Final Counter Value: {_counter}");}static void IncrementCounter(){for (int i = 0; i < 100000; i++){Monitor.Enter(_lock);try{_counter++;}finally{Monitor.Exit(_lock);}}}
}

解釋：

• _lock?是一個靜態對象，用于標識鎖。
• 每次訪問?_counter?時，都會通過?Monitor.Enter?獲取鎖，并通過?Monitor.Exit?釋放鎖。
• 最終輸出的結果是?200000，因為所有線程的操作都被正確同步了。

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六、使用示例2-線程間信號傳遞

Monitor 類還可以用于實現線程間的信號傳遞。以下是一個典型的生產者-消費者模型示例：

using System;
using System.Threading;class Program
{private static readonly object _lock = new object();private static bool _isReady = false; // 共享的狀態變量static void Main(string[] args){Thread threadA = new Thread(DoWorkA);Thread threadB = new Thread(DoWorkB);threadA.Start();threadB.Start();threadA.Join();threadB.Join();}static void DoWorkA(){lock (_lock){Console.WriteLine("Thread A: Waiting for signal...");// 等待條件滿足while (!_isReady){Monitor.Wait(_lock); // 釋放鎖并等待}Console.WriteLine("Thread A: Received signal. Continuing work.");}}static void DoWorkB(){Thread.Sleep(2000); // 模擬一些工作lock (_lock){Console.WriteLine("Thread B: Preparing to signal...");// 設置條件為 true_isReady = true;// 通知等待的線程Monitor.Pulse(_lock);Console.WriteLine("Thread B: Signal sent.");}}
}

解釋：

• 線程 A 調用?Monitor.Wait?釋放鎖并進入等待狀態，直到線程 B 調用?Monitor.Pulse?通知它繼續執行。
• 這種機制非常適合需要線程間協作的場景。

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七、注意事項

1. 鎖對象的選擇

   • 鎖對象必須是引用類型（如?object），不能是值類型（如?int）。
   • 推薦使用專用的私有對象作為鎖對象，避免與其他代碼發生沖突。
   • 不要使用?this?或字符串常量作為鎖對象，以免引發死鎖。

2. 避免死鎖

   • 死鎖是指多個線程互相等待對方釋放鎖，導致程序無法繼續運行。
   • 避免死鎖的方法包括：
     • 確保鎖的獲取順序一致。
     • 盡量減少鎖的范圍。

3. 性能影響

   • 使用?Monitor?會導致線程阻塞，從而影響性能。
   • 對于高并發場景，可以考慮使用其他同步機制（如?SemaphoreSlim?或?ReaderWriterLockSlim）。

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八、總結

Monitor 類是 C# 中實現線程互斥的一種重要工具，提供了比 lock 更靈活的控制能力。盡管它的使用稍微復雜一些，但能夠滿足更多高級需求，例如線程間的信號傳遞。

在實際開發中，選擇合適的同步機制非常重要。對于簡單的線程互斥場景，lock 可能更為直觀；而對于需要更細粒度控制的場景，Monitor 則是一個不錯的選擇。

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