面试题：C#中多线程同步的常见方式

Question

请列举C#中用于多线程同步的至少三种常见方式，并简要说明它们的适用场景和工作原理。

Answer 1

1. Mutex（互斥锁）

   • 适用场景：适用于跨进程的线程同步，确保同一时间只有一个线程或进程能够访问共享资源。例如，在多个进程可能同时访问一个系统资源（如文件、串口等）时使用。
   • 工作原理：Mutex有一个名为“拥有者”的概念。当一个线程获取Mutex时，它成为拥有者，其他线程若想获取则必须等待，直到拥有者释放Mutex。在.NET中，Mutex类提供了WaitOne方法用于获取Mutex，ReleaseMutex方法用于释放Mutex。

2. Semaphore（信号量）

   • 适用场景：适用于控制同时访问共享资源的线程数量。比如，一个数据库连接池有固定数量的连接，信号量可以控制同时使用连接的线程数量，避免过多线程竞争导致连接耗尽。
   • 工作原理：Semaphore维护一个计数，初始时设置为允许同时访问的最大线程数。每次线程调用WaitOne获取信号量时，计数减1；当计数为0时，其他线程获取信号量会被阻塞。线程调用Release方法释放信号量，计数加1。

3. Monitor（监视器）

   • 适用场景：常用于同一进程内的线程同步，在保护一段代码（临界区）不被多个线程同时执行时非常有效。例如，多个线程可能同时访问和修改一个共享的集合，使用Monitor可以确保在同一时间只有一个线程能操作该集合。
   • 工作原理：Monitor基于对象锁定机制。每个对象都有一个隐藏的同步块，线程通过Monitor.Enter方法尝试获取对象的锁（进入同步块），若获取成功则可以执行临界区代码，执行完后通过Monitor.Exit方法释放锁。如果锁已被其他线程持有，Monitor.Enter会阻塞调用线程直到锁可用。C#中的lock关键字本质上就是对Monitor.Enter和Monitor.Exit的封装。

4. AutoResetEvent（自动重置事件）

   • 适用场景：用于线程间的简单通知，当一个线程完成某个操作后通知另一个线程开始工作。比如，一个数据处理线程完成数据准备后通知计算线程开始计算。
   • 工作原理：它有两种状态：终止状态和非终止状态。初始化为非终止状态时，调用WaitOne方法的线程会被阻塞。当调用Set方法时，事件变为终止状态，等待的一个线程会被释放，然后事件自动重置为非终止状态，其他等待线程仍会被阻塞。

5. ManualResetEvent（手动重置事件）

   • 适用场景：与AutoResetEvent类似，但适用于需要一次性通知多个线程的场景。例如，初始化完成后，通知所有等待的线程开始工作。
   • 工作原理：同样有终止和非终止两种状态。调用Set方法将其设置为终止状态，所有调用WaitOne等待的线程都会被释放，直到调用Reset方法将其设置回非终止状态，否则等待线程不会被阻塞。