聊透多线程编程-线程互斥与同步-13. C# Mutex类实现线程互斥

一、什么是临界区？

二、Mutex类简介

三、Mutex的基本用法

解释：

四、Mutex的工作原理

五、使用示例1-保护共享资源

解释：

六、使用示例2-跨进程同步

示例场景

1. 进程A - 主进程

2. 进程B - 第二个进程

输出结果

ProcessA 的输出

ProcessB 的输出

解释

七、注意事项

八、总结

在多线程编程中，线程之间的同步和互斥是确保程序正确运行的重要机制。C# 提供了多种工具来实现线程同步，其中 Mutex 是一种功能强大的同步原语，特别适合用于跨进程的线程互斥场景。本文将详细介绍如何使用 Mutex 类实现线程互斥，并通过示例展示其工作原理。

一、什么是临界区？

在多线程编程中，临界区是指一段需要互斥访问的代码块，通常涉及对共享资源的操作。为了避免多个线程同时操作共享资源而导致数据竞争或状态不一致，我们需要对临界区代码进行保护。

例如，如果两个线程同时修改一个共享变量，可能会导致最终结果不符合预期。因此，我们需要一种机制来确保同一时间只有一个线程可以进入临界区。

二、Mutex类简介

Mutex（Mutual Exclusion）类是 .NET 提供的一种线程同步工具，用于实现线程间的互斥访问。与 lock 和 Monitor 不同，Mutex 支持跨进程的线程同步，这使得它非常适合用于多进程环境下的资源保护。

Mutex 的主要特点包括：

跨进程支持：Mutex 可以在不同进程之间共享，适用于分布式或多进程应用。
独占锁：同一时间只有一个线程（或进程）可以持有 Mutex。
命名支持：可以通过命名方式创建全局 Mutex，从而实现跨进程同步。

三、Mutex的基本用法

Mutex 的基本用法包括以下几个步骤：

创建 Mutex 对象。
调用 WaitOne 方法获取锁。
执行需要同步的代码块。
调用 ReleaseMutex 方法释放锁。

为了确保资源的正确释放，通常会将 Mutex 放入 using 块中，这样即使发生异常，也能保证资源被正确释放。

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    private static readonly Mutex _mutex = new Mutex(); // 创建 Mutex 对象

    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(); // 获取锁

        try
        {
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}: Entered critical section.");
            Thread.Sleep(2000); // 模拟一些工作
        }
        finally
        {
            _mutex.ReleaseMutex(); // 释放锁
            Console.WriteLine($"{Thread.CurrentThread.ManagedThreadId}: Released mutex.");
        }
    }
}

解释：

_mutex.WaitOne()：尝试获取锁。如果锁已被占用，则当前线程会被阻塞，直到锁可用。
_mutex.ReleaseMutex()：释放锁，允许其他线程获取该锁。
使用 try-finally 块是为了确保即使发生异常，锁也能被正确释放。

四、Mutex的工作原理

Mutex 的核心思想是基于操作系统级别的信号量机制，提供了更高级别的同步能力：

当线程调用 WaitOne 方法时，它会尝试获取 Mutex。如果 Mutex 已被其他线程占用，则当前线程会被挂起，直到 Mutex 可用。
当线程调用 ReleaseMutex 方法时，它会释放 Mutex，允许其他线程获取该锁。
如果 Mutex 是命名的（通过构造函数指定名称），它可以跨进程共享，从而实现跨进程同步。

五、使用示例1-保护共享资源

下面是一个使用 Mutex 类保护共享资源的例子：

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();
            }
        }
    }
}

解释：

_mutex 是一个静态对象，用于标识锁。
每次访问 _counter 时，都会通过 WaitOne 获取锁，并通过 ReleaseMutex 释放锁。
最终输出的结果是 200000，因为所有线程的操作都被正确同步了。

六、使用示例2-跨进程同步

Mutex 的跨进程同步能力使其非常适合用于分布式或多进程环境中的资源共享和互斥访问。下面通过一个完整的例子，演示如何使用命名的 Mutex 来实现跨进程同步。