.Net下的线程同步:Part 6 of N--(避免锁定不恰当的同步对象)

本文转自:改善C#程序的建议8：避免锁定不恰当的同步对象

        在C#中让线程同步的另一种编码方式就是使用线程锁。所谓线程锁，就是锁住一个资源，使得应用程序只能在此刻有一个线程访问该资源。可以用下面这句不是那么贴切的话来理解线程锁的作用：锁，就是让多线程变成单线程。在C#中，可以将被锁定的资源理解成new出来的普通对象。

既然需要锁定的资源就是一个C#中的对象，我们就该仔细思考，到底什么样的对象能够成为一个锁对象（也叫同步对象）？在选择同步对象的时候，应当始终注意以下几点：

• 同步对象在需要同步的多个线程中是可见的、同一个对象；
• 非静态方法中，静态变量不应作为同步对象；
• 值类型对象不能作为同步对象；
• 避免将字符串作为同步对象。
• 降低同步对象的可见性。

 

第一点，需要锁定的对象在多个线程中是可见的、同一个对象

        “可见的”这是显而易见的，如果对象不可见，就不能被锁定。“同一个对象”，这理解起来也很好理解，如果锁定的不是同一个对象，那又如何来同步两个对象呢？可是，不见得我们在这上面不会犯错误。为了阐述本建议，我们先模拟一个必须使用到锁的场景：在遍历一个集合的过程中，同时在另外一个线程中删除集合中的某项。下面的这个例子中，如果没有lock语句，将会抛出异常InvalidOperationException：“集合已修改；可能无法执行枚举”：

public partial class FormMain : Form    {        public FormMain()        {            InitializeComponent();        }        AutoResetEvent autoSet = new AutoResetEvent(false);        List<string> tempList = new List<string>() { "init0", "init1", "init2" };        private void buttonStartThreads_Click(object sender, EventArgs e)        {            object syncObj = new object();            Thread t1 = new Thread(() =>            {                //确保等待t2开始之后才运行下面的代码                autoSet.WaitOne();                lock (syncObj)                {                    foreach (var item in tempList)                    {                        Thread.Sleep(1000);                    }                }            });            t1.IsBackground = true;            t1.Start();            Thread t2 = new Thread(() =>            {                //通知t1可以执行代码                autoSet.Set();                //沉睡1秒是为了确保删除操作在t1的迭代过程中                Thread.Sleep(1000);                lock (syncObj)                {                    tempList.RemoveAt(1);                }            });            t2.IsBackground = true;            t2.Start();        }    }

        这是一个Winform窗体应用程序，我们需要演示的功能在按钮的点击事件中。对象syncObj对于线程t1和t2来说，在CLR中肯定是同一个对象。所以上面的示例运行没有问题。现在，我们将以上示例重构一下。将实际的工作代码移到一个类型SampleClass中去，该示例要在多个SampleClass实例间操作一个静态字段：

private void buttonStartThreads_Click(object sender, EventArgs e)        {            SampleClass sample1 = new SampleClass();            SampleClass sample2 = new SampleClass();            sample1.StartT1();            sample2.StartT2();        }        class SampleClass        {            public static List<string> TempList = new List<string>() { "init0", "init1", "init2" };            static AutoResetEvent autoSet = new AutoResetEvent(false);            object syncObj = new object();                            public void StartT1()            {                Thread t1 = new Thread(() =>                {                    //确保等待t2开始之后才运行下面的代码                    autoSet.WaitOne();                    lock (syncObj)                    {                        foreach (var item in TempList)                        {                            Thread.Sleep(1000);                        }                    }                });                t1.IsBackground = true;                t1.Start();            }            public void StartT2()            {                Thread t2 = new Thread(() =>                {                    //通知t1可以执行代码                    autoSet.Set();                    //沉睡1秒是为了确保删除操作在t1的迭代过程中                    Thread.Sleep(1000);                    lock (syncObj)                    {                        TempList.RemoveAt(1);                    }                });                t2.IsBackground = true;                t2.Start();            }        }

        该示例运行起来抛出异常InvalidOperationException：“集合已修改；可能无法执行枚举”。查看类型SampleClass的方法StartT1和StartT2，方法内部锁定的是SampleClass的实例变量syncObject。实例变量意味着每创建一个SampleClass的实例都会生成一个syncObject对象。在本例中，调用者一共创建了两个SampleClass实例，继而分别调用：

sample1.StartT1();sample2.StartT2();

        以上代码锁定的是两个不同的syncObject，这等于完全没有达到两个线程锁定同一个对象的目的。要修正以上的错误，只要将syncObject变成static就可以了。

另外，思考一下lock(this)，我们同样不建议在代码中编写这样的代码。如果两个对象的实例分别执行了锁定的代码，实际锁定的也是两个对象，完全不能达到同步的目的。

第二个注意事项：非静态方法中，静态变量不应作为同步对象

        我们刚说完，要修正第一点中的示例，需要将syncObject变成static。这似乎和本注意事项有矛盾。实际上，第一点中的示例代码仅出于演示的目的。我们强烈建议你不要在实际应用中编写此类代码，在编写多线程代码时，要遵循这样的一个原则：类型的静态方法应当保证线程安全，非静态方法不需实现线程安全。FCL中的绝大部分类，都遵循了这个原则。如果将syncObject变成static，就相当于让非静态方法具备线程安全性，这带来的一个问题是，如果应用程序中该类型存在多个实例，在遇到这个锁的时候，都会产生同步，而这可能不是开发者原先所愿意看到的。

 

第三点：值类型对象不能作为同步对象

         值类型在传递另一个线程的时候，会创建一个副本，这相当于每个线程锁定的也是两个对象。故，值类型对象不能作为同步对象。第二点实际也可以归结到第一点中。

 

第四点，锁定字符串是完全没有必要，而且相当危险的

        这整个过程看上去和值类型正好相反。字符串在CLR中会被暂存到内存里，如果有两个变量被分配了相同内容的字符串，那么这两个引用会被指向同一块内存。所以，如果有两个地方同时使用了lock(“abc”)，那么它们实际锁定的是同一个对象，导致整个应用程序被阻滞。

 

第五点：降低同步对象的可见性

        可见范围最广的一种同步对象是typeof(SampleClass)。typeof方法所返回的结果，也就是类型的type，是SampleClass的所有实例所共有的，即：所有实例的type都指向typeof方法的结果。这样一来，如果我们lock(typeof(SampeClass))，当前应用程序中的所有SampleClass的实例的线程，将会全部被同步。这样编码是完全没有必要的，这样的同步对象太开放了。

        另外，同步对象一般来说，也不应该是一个公共变量或属性。在FCL的早期版本中，一些常用的集合类型，如ArrayList，提供了公共属性SyncRoot，让我们锁定以便进行一些线程安全的操作。所以你一定会觉得我们刚才的结论不正确。其实不然，ArrayList的操作，大部分的应用场景不涉及到多线程同步，所以它的方法更多的是单线程应用场景。线程同步是一个非常耗时（也就是低效）的操作。若ArrayList的所有非静态方法都要考虑线程安全，那么ArrayList完全可以将这个SyncRoot变成静态私有。现在它将SyncRoot变为公开的，是让调用者自己去决定操作是否需要线程安全。在我们自己编写的大部分代码中，除非也有这样的要求，否则就应该始终考虑降低同步对象的可见性，将我们的同步对象藏起来，只开放给自己或自己的子类就够了（需要开放给子类的情况其实也不多见）。