【C#】并行编程实战：同步原语（2）

news2024/12/24 8:00:59

在第4章中讨论了并行编程的潜在问题，其中之一就是同步开销。当将工作分解为多个工作项并由任务处理时，就需要同步每个线程的结果。线程局部存储和分区局部存储，某种程度上可以解决同步问题。但是，当数据共享时，就需要用到同步原语。

因篇幅所限，本章为第2篇。主要介绍锁、互斥锁和信号灯。

本教程对应学习工程：魔术师Dix / HandsOnParallelProgramming · GitCode

5、锁、互斥锁和信号灯

锁（Lock）和互斥锁（Mutex）是仅允许一个线程访问受保护资源的锁结构。信号灯（Semaphore）也是一种锁结构，它允许指定数量的线程访问受保护的资源。

同步原语	分配的线程数	跨进程
锁（Lock）	1	×
互斥锁（Mutex）	1	√
信号灯（Semaphore）	多	√
轻量信号灯（SemaphoreSlim）	多	×

由于锁会限制其他线程访问共享资源，所以一定不要锁住会造成阻塞的代码，否则性能会大幅下降。一般来讲，锁只用于关键节。

关键节（Critical Section）:

线程执行路径的一部分，必须对其进行保护以防止并发访问，进而维护某些不变性（Invariant）。关键节本身不是同步原语，但是它依赖于同步原语。

5.1、锁

在之前的代码，我们做一下改造：

        private static object lockObj = new object();
        public static void RunTestAddFunctionWithLock()
        {
            TestValueA = 0;
            TestValueB = 0;
            m_IsFinishOnce = false;

            Task.Run(() =>
            {
                Parallel.For(0, 10000, x =>
                {
                    lock (lockObj)
                    {
                        TestValueA = x;
                        TestValueB = x;
                        m_IsFinishOnce = TestValueA >= TestValueB;
                    }
                });
                Debug.Log("运行完成");
            });

这个其实是非常常见的锁用法了，如上示例代码，就永远不会出现异常值的情况 m_IsFinishOnce 的值永远为 true。与 Lock 语句类似，还有一种类似写法：

Monitor.Enter(lockObj);
TestValueA = x;
TestValueB = x;
m_IsFinishOnce = TestValueA >= TestValueB;
Monitor.Exit(lockObj);

Monitor 类 (System.Threading) | Microsoft Learn提供同步访问对象的机制。 https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.monitor?view=netstandard-2.1 简单来说，Lock 是 Monitor 的快捷方式，Lock 能实现的 Monitor 也都能实现。想要详细了解这两者可以扩展阅读以下连接：

Lock VS Monitor - 知乎介绍介绍对开发人员来说，处理关键代码部分的多线程应用程序是非常重要的。 Monitor和lock是c#语言中多线程应用程序中提供线程安全的方法(lock关键字的本质就是对Monitor的封装)。两者都提供了一种机制来确保只…https://zhuanlan.zhihu.com/p/553789674

5.2、互斥锁

Lock 或 Mutex 只能锁定单进程，毕竟我们锁定的类只是在单进程创建的。如果出现多个进程竞争同一个资源（例如都在对同一个文档进行写入），就会报错。此时我们需要 Mutex ，创建内核级别的应用锁。

Mutex 类 (System.Threading) | Microsoft Learn还可用于进程间同步的同步基元。 https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.mutex?view=netstandard-2.1 用法也很简单；

private static Mutex mutex = new Mutex(false, "TestMutex");
……
mutex.WaitOne();
TestValueA = x;
TestValueB = x;
m_IsFinishOnce = TestValueA >= TestValueB;
mutex.ReleaseMutex();

不过我感觉，在一般的游戏开发都是单进程的逻辑，很少会需要用到互斥锁。可能在工程流水线开发的过程中，用到这个的情况多一些。

Lock 和 Mutex 只能从获得它们的线程释放。

5.3、信号灯

（书上称之为信号量，但微软文档上称之为信号灯，这里采用微软的说法，以下通称为信号灯）

Lock、Monitor、Mutex 仅允许一个线程访问受保护的资源。但是有时我们也需要多个进行能够访问共享资源。例如资源池（Resource Pooling）和节流（Throttling）的应用场景都需要让多个线程能同时访问到共享资源。

与 Lock 或 Mutex 不同，信号灯（Semaphore）是线程不可知的，这意味着任何线程都可以调用 Semaphore 的释放。信号灯也可以跨进程工作。

Semaphore 类 (System.Threading) | Microsoft Learn限制可同时访问某一资源或资源池的线程数。 https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.semaphore?view=netstandard-2.1 示例代码如下：

        private static Semaphore semaphore = new Semaphore(1, 3);//初始资源量，资源总量
        public static void RunWithSemaphore()
        {
            Task.Run(() =>
            {
                Parallel.For(0, 10, async x =>
                {
                    Debug.Log($"【{x} 】进入运行！");
                    semaphore.WaitOne();
                    await Task.Delay(1000);
                    semaphore.Release();
                    Debug.LogError($"【{x}】 完成运行！");
                });
                Debug.Log("全部运行完成");
            });
        }

Semaphore 传入的2个参数，一个是初始资源量，一个是资源总量。像如上的代码，其实就是一个等一个，每隔 1s 执行完成一个任务：