C# 多线程同步机制(多种同步机制对比)

在C#中，lock、Interlocked、Monitor、SpinLock、WaitHandle、Mutex、Semaphore、Events、Barrier、ReaderWriterLockSlim 这些同步机制虽然都用于多线程同步，但它们的底层实现、使用场景和性能特点各不相同。

1. lock 关键字

底层操作：

• lock 是基于 Monitor 实现的语法糖。

• 底层调用 Monitor.Enter 和 Monitor.Exit 方法。

• 使用 lock 时，编译器会自动生成 try-finally 块，确保锁的释放。

特点：

• 基于内核对象的同步机制（Monitor 内部使用 SyncBlock）。

• 适用于简单的临界区保护。

• 可能会引入死锁问题。

适用场景：

• 简单的线程同步，保护共享资源。用于简单的线程同步，确保同一时间只有一个线程访问共享资源。

private static readonly object _lock = new object();private static int _counter = 0;
public static void IncrementCounter(){    lock (_lock)    {        _counter++;    }}

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2. Interlocked 类

底层操作：

• 使用 CPU 的原子指令（如 LOCK CMPXCHG）实现原子操作。

• 直接操作内存，无需锁。

特点：

• 轻量级，性能高。

• 仅支持简单的原子操作（如 Increment、Decrement、Exchange、CompareExchange）。

• 不适用于复杂的同步逻辑。

适用场景：

• 对简单类型（如 int、long）进行原子操作。用于对简单类型的原子操作，如递增、递减、交换等。

private static int _counter = 0;
public static void IncrementCounter(){    Interlocked.Increment(ref _counter);}

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3. Monitor 类

底层操作：

• 基于 SyncBlock 实现，SyncBlock 是 CLR 为每个对象分配的一个内部数据结构。

• 使用 Monitor.Enter 和 Monitor.Exit 方法获取和释放锁。

• 支持 Wait、Pulse 和 PulseAll 方法，用于线程间的信号通知。

特点：

• 比 lock 更灵活，支持复杂的同步逻辑。

• 可能会引入死锁问题。

• 性能较低，因为涉及内核对象的切换。

适用场景：

• 需要复杂同步逻辑的场景（如条件等待）。与lock类似，但提供了更多的控制，如TryEnter、Wait、Pulse等。

private static readonly object _lock = new object();
public static void DoWork(){    Monitor.Enter(_lock);    try    {        // 临界区代码    }    finally    {        Monitor.Exit(_lock);    }}

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4. SpinLock 结构

底层操作：

• 使用自旋（spin）机制，线程在获取锁失败时会不断重试，而不是立即进入等待状态。

• 基于 CPU 的原子操作实现。

特点：

• 适用于短时间的等待，避免线程上下文切换的开销。

• 长时间等待会浪费 CPU 资源。

• 轻量级，性能高。

适用场景：

• 短时间的临界区保护，锁竞争不激烈的场景。适用于短时间的等待，避免线程上下文切换的开销。

private static SpinLock _spinLock = new SpinLock();
public static void DoWork(){    bool lockTaken = false;    try    {        _spinLock.Enter(ref lockTaken);        // 临界区代码    }    finally    {        if (lockTaken)            _spinLock.Exit();    }}

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5. WaitHandle 类

底层操作：

• 基于内核对象（如事件、信号量、互斥体）实现。

• 使用 WaitOne、WaitAll 和 WaitAny 方法等待信号。

特点：

• 支持跨进程同步。

• 性能较低，因为涉及内核模式的切换。

• 适用于复杂的线程同步场景。

适用场景：

• 线程间的信号通知，复杂的同步逻辑。用于线程间的信号通知，如等待某个事件发生。

private static EventWaitHandle _waitHandle = new AutoResetEvent(false);
public static void DoWork(){    _waitHandle.WaitOne(); // 等待信号    // 继续执行}
public static void Signal(){    _waitHandle.Set(); // 发送信号}

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6. Mutex 类

底层操作：

• 基于内核对象的互斥体实现。

• 支持跨进程同步。

特点：

• 重量级，性能较低。

• 支持递归锁（同一线程可以多次获取锁）。

• 适用于跨进程的同步。

适用场景：

• 跨进程的线程同步。

private static Mutex _mutex = new Mutex();
public static void DoWork(){    _mutex.WaitOne();    try    {        // 临界区代码    }    finally    {        _mutex.ReleaseMutex();    }}

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7. Semaphore 类

底层操作：

• 基于内核对象的信号量实现。

• 使用 WaitOne 和 Release 方法控制资源的访问。

特点：

• 允许多个线程同时访问资源，但数量有限。

• 支持跨进程同步。

• 性能较低，因为涉及内核模式的切换。

适用场景：

• 限制资源访问的场景（如连接池、线程池）。

private static Semaphore _semaphore = new Semaphore(3, 3); // 允许3个线程同时访问
public static void DoWork(){    _semaphore.WaitOne();    try    {        // 临界区代码    }    finally    {        _semaphore.Release();    }}

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8. Events 类

底层操作：

• 基于内核对象的事件实现。

• 使用 Set 和 Reset 方法控制信号状态。

特点：

• 支持手动重置和自动重置事件。

• 适用于线程间的信号通知。

• 性能较低，因为涉及内核模式的切换。

适用场景：

• 线程间的信号通知，复杂的同步逻辑。用于线程间的信号通知，类似于WaitHandle，但更灵活。

private static ManualResetEventSlim _event = new ManualResetEventSlim(false);
public static void DoWork(){    _event.Wait(); // 等待信号    // 继续执行}
public static void Signal(){    _event.Set(); // 发送信号}

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9. Barrier 类

底层操作：

• 使用 SpinWait 和内核事件结合实现。

• 允许多个线程在某个点同步，等待所有线程到达后再继续执行。

特点：

• 适用于分阶段的并行任务。

• 性能较高，因为大部分时间使用自旋等待。

适用场景：

• 多个线程在某个点同步的场景（如并行计算）。用于多个线程在某个点同步，等待所有线程到达后再继续执行。

private static Barrier _barrier = new Barrier(3); // 等待3个线程
public static void DoWork(){    // 执行一些工作    _barrier.SignalAndWait(); // 等待其他线程    // 继续执行}

总结：Barrier 适用于需要多个线程在某个点同步的场景，确保所有线程都到达后再继续执行。

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10. ReaderWriterLockSlim 类

底层操作：

• 使用自旋和内核事件结合实现。

• 支持读写分离，允许多个读线程同时访问，但写线程独占访问。

特点：

• 适用于读写分离的场景。

• 性能较高，因为读操作可以并发执行。

• 支持递归锁。

适用场景：

• 读写分离的同步场景（如缓存、配置文件）。用于读写分离的同步场景，允许多个读线程同时访问，但写线程独占访问。

private static ReaderWriterLockSlim _rwLock = new ReaderWriterLockSlim();
public static void Read(){    _rwLock.EnterReadLock();    try    {        // 读取操作    }    finally    {        _rwLock.ExitReadLock();    }}
public static void Write(){    _rwLock.EnterWriteLock();    try    {        // 写入操作    }    finally    {        _rwLock.ExitWriteLock();    }}

总结：ReaderWriterLockSlim 适用于读写分离的场景，提高了读操作的并发性能。

 

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总结

• lock：简单易用，适用于大多数同步场景。

• Interlocked：高效的原子操作，适用于简单的数值操作。

• Monitor：提供更细粒度的控制，适用于复杂同步逻辑。

• SpinLock：适用于短时间的等待，避免线程上下文切换。

• WaitHandle：线程间的信号通知，适用于复杂同步场景。

• Mutex：跨进程的同步，性能较低。

• Semaphore：限制资源访问，允许多个线程同时访问。

• Events：灵活的线程间信号通知机制。

• Barrier：多个线程在某个点同步。

• ReaderWriterLockSlim：读写分离的同步场景，提高读操作的并发性能。

根据具体场景选择合适的同步机制，可以提高程序的性能和可靠性。

 

总结对比

同步机制	底层实现	性能	适用场景	跨进程支持	递归锁支持
lock	基于 Monitor	中等	简单的临界区保护	不支持	支持
Interlocked	CPU 原子指令	高	简单的原子操作	不支持	不支持
Monitor	基于 SyncBlock	中等	复杂的同步逻辑	不支持	支持
SpinLock	自旋等待	高	短时间的临界区保护	不支持	不支持
WaitHandle	内核对象（事件、信号量等）	低	线程间的信号通知	支持	不支持
Mutex	内核对象（互斥体）	低	跨进程的线程同步	支持	支持
Semaphore	内核对象（信号量）	低	限制资源访问	支持	不支持
Events	内核对象（事件）	低	线程间的信号通知	支持	不支持
Barrier	自旋等待 + 内核事件	高	多个线程在某个点同步	不支持	不支持
ReaderWriterLockSlim	自旋等待 + 内核事件	高	读写分离的同步场景	不支持	支持

选择建议：

• 高性能场景：优先选择 Interlocked、SpinLock 或 ReaderWriterLockSlim。

• 简单同步：使用 lock 或 Monitor。

• 复杂同步：使用 WaitHandle、Events 或 Barrier。

• 跨进程同步：使用 Mutex 或 Semaphore。