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在C#的多線程編程中，Monitor 是一種用于同步多個線程訪問共享資源的機制。它是基于對象的鎖定機制，能夠有效地控制對代碼塊的訪問，防止數據的不一致，其實與lock基本一樣的。本文將詳細介紹 Monitor 的特點、用法，并提供多個示例以展示其應用。

`Monitor` 的特點

• 獨占性訪問：Monitor 通過鎖定對象，確保同一時刻只有一個線程可以訪問被鎖定的代碼塊。

• 高效性：相比于 Mutex，Monitor 的性能開銷較小，適合在同一進程中的多線程環境中使用。

• 支持條件變量：Monitor 允許線程在等待某個條件時釋放鎖，這樣其他線程可以獲得鎖，避免資源的浪費。

• 易于使用：Monitor 提供了較為簡單的 APIs，如 Enter、Exit、Wait、Pulse 和 PulseAll。

使用 `Monitor` 的基本語法

以下是 Monitor 的基本用法示例：

object lockObject = new object();

Monitor.Enter(lockObject); // 請求鎖
try {
    // ... 訪問共享資源
} finally {
    Monitor.Exit(lockObject); // 釋放鎖
}

示例：使用 `Monitor` 實現線程安全的計數器

以下示例展示了如何使用 Monitor 來實現一個線程安全的計數器，確保只有一個線程可以對計數器進行更新。

namespace AppMonitor01
{
    internal class Program
    {
        private static int counter = 0; // 共享資源
        private static object lockObject = new object(); // 用于鎖定代碼塊

        static void Main(string[] args)
        {
            Thread[] threads = new Thread[5];
            for (int i = 0; i < threads.Length; i++)
            {
                threads[i] = new Thread(IncrementCounter);
                threads[i].Start();
            }

            foreach (var thread in threads)
            {
                thread.Join();
            }

            Console.WriteLine($"最終計數器的值: {counter}");
        }

        static void IncrementCounter()
        {
            for (int i = 0; i < 1000; i++)
            {
                Monitor.Enter(lockObject); // 請求鎖
                try
                {
                    counter++; // 增加計數
                }
                finally
                {
                    Monitor.Exit(lockObject); // 確保釋放鎖
                }
            }
        }
    }
}

代碼解析

1. 共享資源：counter 是一個靜態變量，由多個線程共享。

2. 鎖對象：lockObject 是一個用于同步的對象，所有線程通過該對象進行控制。

3. 線程創建和啟動：創建5個線程并啟動它們，每個線程執行 IncrementCounter 方法。

4. 計數器增加：在 Monitor.Enter(lockObject) 后，只有獲得鎖的線程才能執行 counter++。

5. 鎖的釋放：在 finally 塊內調用 Monitor.Exit(lockObject)，確保鎖總是釋放，即使發生異常。

6. 等待線程完成：主線程使用 Join 方法確保所有工作線程完成后再輸出 counter 的值。

示例：使用 `Monitor` 的條件變量

使用 Monitor 的條件變量，允許線程在特定條件下等待以釋放鎖，以下示例展示了如何使用 Monitor.Wait 和 Monitor.Pulse。

using System;
using System.Threading;

class Program {
    private static object lockObject = new object(); // 用于同步的對象
    private static bool isReady = false; // 條件變量

    static void Main(string[] args) {
        Thread workerThread = new Thread(Worker);
        Thread notifierThread = new Thread(Notifier);

        workerThread.Start();
        notifierThread.Start();

        workerThread.Join();
        notifierThread.Join();
    }

    static void Worker() {
        Console.WriteLine("Worker 正在等待通知...");
        lock (lockObject) {
            while (!isReady) {
                Monitor.Wait(lockObject); // 等待通知
            }
            Console.WriteLine("Worker 收到通知，開始工作。");
        }
    }

    static void Notifier() {
        Console.WriteLine("Notifier 正在處理...");
        Thread.Sleep(2000); // 模擬處理時間
        lock (lockObject) {
            isReady = true;
            Monitor.Pulse(lockObject); // 發送通知
            Console.WriteLine("Notifier 已發送通知。");
        }
    }
}

代碼解析

1. 條件變量：isReady 是一個布爾變量，用于控制 Worker 線程的執行。

2. 工作線程：Worker 線程在獲得鎖后，檢查 isReady 的值，如果為 false，則調用 Monitor.Wait 方法，釋放鎖并等待通知。

3. 通知線程：Notifier 線程在處理完畢后，通過 Monitor.Pulse 發送通知，喚醒等待的 Worker 線程。

4. 工作執行：一旦 Worker 收到通知，就會繼續執行相應的工作。

示例：使用 `Monitor.PulseAll` 進行喚醒所有等待線程

在某些情況下，可能需要喚醒所有等待的線程，可以使用 Monitor.PulseAll 方法。以下示例展示了如何使用 Monitor.PulseAll。

using System;
using System.Threading;

class Program {
    private static object lockObject = new object();
    private static int readyCount = 0; // 準備好的線程計數
    private static int neededCount = 3; // 需要滿多少個線程

    static void Main(string[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread thread = new Thread(Worker);
            thread.Start(i + 1);
        }

        Thread.Sleep(2000); // 等待一些時間讓所有線程開始
        NotifyThreads(); // 調用通知方法
    }

    static void Worker(object index) {
        Console.WriteLine($"線程 {index} 正在準備...");
        lock (lockObject) {
            readyCount++;
            if (readyCount < neededCount) {
                Monitor.Wait(lockObject); // 等待通知
            }
            Console.WriteLine($"線程 {index} 繼續執行。");
        }
    }

    static void NotifyThreads() {
        Console.WriteLine("準備好所有線程。");
        lock (lockObject) {
            // 使得所有等待的線程都能繼續
            Monitor.PulseAll(lockObject); 
        }
    }
}

代碼解析

1. 準備計數：readyCount 用于計算已準備好的線程數量，而 neededCount 定義了需要滿的線程數量。

2. 工作線程：每個 Worker 在線程啟動時增加 readyCount 計數，如果未達到需要數量的線程，則調用 Monitor.Wait 進入等待狀態。

3. 通知方法：當 NotifyThreads 被調用時，會使用 Monitor.PulseAll 喚醒所有等待的線程，使它們能夠繼續執行。

使用 `Monitor` 的注意事項

• 確保釋放鎖：始終使用 try…finally 構造以確保在異常或早期返回時仍然釋放鎖。

• 避免死鎖：在使用 Monitor 時，確保不以不當順序獲取多個鎖，避免死鎖現象。

• 高并發下的性能：雖然 Monitor 的性能相對較好，但在高并發情況下，可能仍會造成性能瓶頸。

• 條件變量的使用：使用 Monitor.Wait 和 Monitor.Pulse 時，確保它們在相同的鎖定對象上調用，以確保正確執行。

結論

Monitor 是C#中一種強大的多線程同步機制，能夠有效管理線程對共享資源的訪問。通過上述示例，您可以看到如何利用 Monitor 來實現線程安全的操作，并控制線程的執行順序。合理地使用 Monitor 可以顯著提高多線程應用的可靠性和效率。在應用中，開發者應關注性能、錯誤處理及可能的競爭條件，以確保安全和高效性。