白话并发冲突与线程同步(2)——Monitor、lock和死锁

     竞赛暂时胜过它的目的，永远如此。对于要建立殖民地的殖民主义者，生活的意义就在于征服。士兵看不起移民，但是，征服的目的不就是要让移民定居下来吗？因此，在进步的狂热中，我们把人招来修铁路，建工厂，钻油井。但是，我们不是记得很清楚，我们进行的这些建设是服务人类的。……真理，对于一些人来说就是建造房子，而对于另一些人来说就是居住。
                                                                                    ——圣埃克絮佩里
                                                                                          摘自《人的大地》

1-2-3 和比尔盖茨的一些往事

在上一篇里我们说道，1-2-3写了一段程序，并且在使用了2个线程分别执行foo1()和foo2()之后，程序的结果就不对了。

class Program {     static int n = 0;     static void foo1()     {         for (int i = 0; i < 1000000000; i++) // 10 浜?/span>         {                 int a = n;                 n = a + 1;         }         Console.WriteLine("foo1() complete n = {0}", n);     }     static void foo2()     {         for (int j = 0; j < 1000000000; j++) // 10 浜?/span>         {                 int a = n;                 n = a + 1;         }         Console.WriteLine("foo2() complete n = {0}", n);     }     static void Main(string[] args)     {         new Thread(foo1).Start();         new Thread(foo2).Start();     } }

究其原因，就是因为Windows总是不问青红皂白随随便便就把我的线程给停掉了。例如，上面的那个程序很可能会以下面的顺序来执行（黄色底色的代码属于第一个线程，绿色底色的代码属于第二个线程）：


这样，第一、第二个线程里面的循环各自执行了3次，n的值是3，而不是我们期望的6。
所以呢，我就打算建议比尔盖茨在C#里加一个关键字：

对foo2()也做同样的修改，这样，就可以确保程序以下图所示的顺序执行了：


如果这个建议被微软接受，它将创造两个记录：
  1. 它将是C#里面第一个中文关键字。
  2. 它将是C#里面最长的关键字。

可是，比尔盖茨听了我的建议之后，却把眉毛皱成了个大疙瘩，叹道：“大哥，不行呀。你知道，Windows里会同时运行着上千个线程，且不说那些居心不良的病毒和木马，就是那些干正经事的线程，谁又能保证在你那个超长关键字里包裹的代码不会运行个二、三十秒？CPU可只有一个，在那个线程运行的二、三十秒里，整个Windows都会一动不动的，不知情的用户还以为是Windows又挂掉了，最后挨骂的可是兄弟我呦！”

“不过，”比尔又接着说，“我可以提供另一种方案来达到同样的效果。我可以让线程1里面的指定代码块不执行完，线程2就一直处于阻塞(ThreadState.WaitSleepJoin)状态。”

要达到这个效果，需要使用.net里的两个函数。

Monitor.Enter(n); // 尝试获取对n的控制权。如果n没主儿，则成功获取了n的控制权；如果n已经有主儿了，则此线程阻塞，死等。
Monitor.Exit(n); // 释放对n的控制权。等待着n的那个阻塞中的线程将获取n的控制权，并从阻塞状态变成运行状态。

可以把n想像成WC里的一个蹲位，线程1 Enter了之后，其它线程就不能Enter了，只能干等着，直到线程1 Exit，下一个等着的线程才能Enter，之后才能继续办事。如果一个线程Enter了之后迟迟不Exit（例如Enter了之后，发生了异常，比如忘了带SZ），就是所谓的“占着MK不LS”了。（一边吃午饭一边看贴的兄弟对不住啦～～）

使用 Monitor

现在就可以在我的代码里使用Monitor了。

class Program
{
    static int n = 0;
    static void foo1()
    {
        for (int i = 0; i < 1000000000; i++) // 10 亿
        {
            Monitor.Enter(n);
            int a = n;
            n = a + 1;
            Monitor.Exit(n);
        }
        Console.WriteLine("foo1() complete n = {0}", n);
    }

    static void foo2()
    {
        for (int j = 0; j < 1000000000; j++) // 10 亿
        {
            Monitor.Enter(n);
            int a = n;
            n = a + 1;
            Monitor.Exit(n);
        }
        Console.WriteLine("foo2() complete n = {0}", n);
    }
    static void Main(string[] args)
    {
        new Thread(foo1).Start();
        new Thread(foo2).Start();
    }
}

这段代码很可能会以下图所示的顺序执行（黄色底色的代码属于线程1，绿色底色的代码属于线程2。下图演示了线程1循环2次，线程2循环1次，n的值为3）：


如果我们把上图之中与Monitor相关的行和演示线程状态的行去掉，就可以得到下图：


怎么样？和我的那个超长关键字的效果一样吧？

不过，如果你尝试运行上面那个代码，就会发现它根本无法通过编译！这是因为Monitor.Enter()只接受类型为Object的参数。那么，可不可以写 Monitor.Enter((Object)n); 呢？它确实能够通过编译，但是这样岂不是要装箱20亿次？所以千万别这么写。没法子了，我们只能再声明一个Object类型的变量，专门用于这两个线程的同步。

class Program
{
    static int n = 0;
    static object mk = new object();
    static void foo1()
    {
        for (int i = 0; i < 1000000000; i++) // 10 亿
        {
            Monitor.Enter(mk);
            int a = n;
            n = a + 1;
            Monitor.Exit(mk);
        }
        Console.WriteLine("foo1() complete n = {0}", n);
    }
    static void foo2()
    {
        for (int j = 0; j < 1000000000; j++) // 10 亿
        {
            Monitor.Enter(mk);
            int a = n;
            n = a + 1;
            Monitor.Exit(mk);
        }
        Console.WriteLine("foo2() complete n = {0}", n);
    }
    static void Main(string[] args)
    {
        new Thread(foo1).Start();
        new Thread(foo2).Start();
    }
}

这段代码在我的赛扬800的机器上运行时间为3分零6秒。

lock 关键字

在C#里面有一个lock关键字，它其实是一个语法糖。

小贴士：在VB里与lock等价的关键字是SyncLock。用法是

SyncLock (mk)
    Dim a As Integer = n
    n = a + 1
End SyncLock

死锁

还有比占着MK不LS更恶劣的行径么？有，那就是吃着碗里的望着锅里的。在下面的这段代码中，线程1喜欢先占着mk1然后在mk2里办事；线程2呢，喜欢先占着mk2，然后在mk1里办事，要是这两个活宝碰到一起……

class Program
{
    static object mk1 = new object();
    static object mk2 = new object();
    static void foo1()
    {
        for (int i = 0; i < 100; i++)
        {
            Monitor.Enter(mk1);
            Console.WriteLine("i={0} 线程1：\"先占着mk1，再去mk2里办事。\"", i);
            Monitor.Enter(mk2);
            Console.WriteLine("i={0} 线程1：\"进入了mk2，办事\"", i);
            Monitor.Exit(mk2);
            Console.WriteLine("i={0} 线程1：\"办完事了，离开mk2\"", i);
            Monitor.Exit(mk1);
            Console.WriteLine("i={0} 线程1：\"办完事了，离开mk1\"", i);
        }
    }
    static void foo2()
    {
        for (int j = 0; j < 100; j++)
        {
            Monitor.Enter(mk2);
            Console.WriteLine("j={0} 线程2：\"先占着mk2，再去mk1里办事。\"", j);
            Monitor.Enter(mk1);
            Console.WriteLine("j={0} 线程2：\"进入了mk1，办事\"", j);
            Monitor.Exit(mk1);
            Console.WriteLine("j={0} 线程2：\"办完事了，离开mk1\"", j);
            Monitor.Exit(mk2);
            Console.WriteLine("j={0} 线程2：\"办完事了，离开mk2\"", j);
        }
    }
    static void Main(string[] args)
    {
        new Thread(foo1).Start();
        new Thread(foo2).Start();
    }
}

运行这段代码，可以得到这样的结果：


如上图所示，当程序恰巧以“线程1 Enter mk1 -> 线程2 Enter mk2 -> 线程1 想要Enter mk2 发现 mk2 已经被占用，线程1阻塞 -> 线程2 想要Enter mk1 发现 mk1 己经被占用，线程2阻塞”这个顺序执行时，线程1等待线程2释放mk2，线程2等待线程1释放mk1，两个线程双双陷入阻塞状态，直到山无棱、天地合……这就是死锁。

参考文献

Jeffrey Richter, CLR via C#, Second Edition. Microsoft Press, 2006.