聊透多線程編程-線程互斥與同步-13. C# Mutex類實現線程互斥

一、什么是臨界區？

二、Mutex類簡介

三、Mutex的基本用法

解釋：

四、Mutex的工作原理

五、使用示例1-保護共享資源

解釋：

六、使用示例2-跨進程同步

示例場景

1. 進程A - 主進程

2. 進程B - 第二個進程

輸出結果

ProcessA 的輸出

ProcessB 的輸出

解釋

七、注意事項

八、總結

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重要機制。C# 提供了多種工具來實現線程同步，其中 Mutex 是一種功能強大的同步原語，特別適合用于跨進程的線程互斥場景。本文將詳細介紹如何使用 Mutex 類實現線程互斥，并通過示例展示其工作原理。

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。

二、Mutex類簡介

Mutex（Mutual Exclusion）類是 .NET 提供的一種線程同步工具，用于實現線程間的互斥訪問。與 lock 和 Monitor 不同，Mutex 支持跨進程的線程同步，這使得它非常適合用于多進程環境下的資源保護。

Mutex 的主要特點包括：

跨進程支持：Mutex?可以在不同進程之間共享，適用于分布式或多進程應用。
獨占鎖：同一時間只有一個線程（或進程）可以持有?Mutex。
命名支持：可以通過命名方式創建全局?Mutex，從而實現跨進程同步。

三、Mutex的基本用法

Mutex 的基本用法包括以下幾個步驟：

創建?Mutex?對象。
調用?WaitOne?方法獲取鎖。
執行需要同步的代碼塊。
調用?ReleaseMutex?方法釋放鎖。

為了確保資源的正確釋放，通常會將 Mutex 放入 using 塊中，這樣即使發生異常，也能保證資源被正確釋放。

using System;
using System.Threading;class Program
{private static readonly Mutex _mutex = new Mutex(); // 創建 Mutex 對象static void Main(){Thread t1 = new Thread(DoWork);Thread t2 = new Thread(DoWork);t1.Start();t2.Start();t1.Join();t2.Join();}static void DoWork(){Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}: Waiting for mutex...");_mutex.WaitOne(); // 獲取鎖try{Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}: Entered critical section.");Thread.Sleep(2000); // 模擬一些工作}finally{_mutex.ReleaseMutex(); // 釋放鎖Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}: Released mutex.");}}
}

解釋：

_mutex.WaitOne()：嘗試獲取鎖。如果鎖已被占用，則當前線程會被阻塞，直到鎖可用。
_mutex.ReleaseMutex()：釋放鎖，允許其他線程獲取該鎖。
使用?try-finally?塊是為了確保即使發生異常，鎖也能被正確釋放。

四、Mutex的工作原理

Mutex 的核心思想是基于操作系統級別的信號量機制，提供了更高級別的同步能力：

當線程調用?WaitOne?方法時，它會嘗試獲取?Mutex。如果?Mutex?已被其他線程占用，則當前線程會被掛起，直到?Mutex?可用。
當線程調用?ReleaseMutex?方法時，它會釋放?Mutex，允許其他線程獲取該鎖。
如果?Mutex?是命名的（通過構造函數指定名稱），它可以跨進程共享，從而實現跨進程同步。

五、使用示例1-保護共享資源

下面是一個使用 Mutex 類保護共享資源的例子：

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

解釋：

_mutex?是一個靜態對象，用于標識鎖。
每次訪問?_counter?時，都會通過?WaitOne?獲取鎖，并通過?ReleaseMutex?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。

六、使用示例2-跨進程同步

Mutex 的跨進程同步能力使其非常適合用于分布式或多進程環境中的資源共享和互斥訪問。下面通過一個完整的例子，演示如何使用命名的 Mutex 來實現跨進程同步。