什么是互斥体和条件变量？它们如何帮助实现线程同步？

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什么是互斥体和条件变量？

1. 互斥体（Mutex）

互斥体是一种同步机制，用于确保多个线程在同一时间内只能有一个线程访问某个共享资源。互斥体通过锁定和解锁操作实现线程的互斥访问，从而避免资源竞争和数据不一致问题。

• 工作原理：
• 一个线程获得互斥体后，其他线程必须等待该线程释放互斥体才能继续访问共享资源。
• 一旦互斥体被释放，系统会唤醒等待的线程之一。
• 特点：
• 适用于跨线程和跨进程的同步。
• 比锁（lock）更重量级，但功能更强大，例如支持跨进程同步。

2. 条件变量（Condition Variable）

条件变量是一种同步机制，允许线程在某些特定条件下等待或被通知。当线程正在等待条件变量时，它会释放所持有的互斥体，直到条件满足后再重新获取互斥体并继续执行。

• 工作原理：
• 线程可以通过条件变量进入等待状态，直到某个条件（例如，某资源的状态变化）被其他线程满足后，线程被唤醒。
• 条件变量需要与互斥体配合使用，确保条件检查和条件变量操作的原子性。
• 特点：
• 提供了一种高效的线程等待和唤醒机制。
• 避免线程频繁轮询资源状态，降低资源浪费。

互斥体和条件变量的作用

• 互斥体： 用于防止多个线程同时访问共享资源，确保数据一致性。
• 条件变量： 用于线程之间的通信和同步，确保线程在某些条件满足时被唤醒。

如何在 C# 中实现互斥体和条件变量？

1. 实现互斥体

在 C# 中，使用 Mutex 类实现互斥体，用于跨线程或跨进程的同步。

using System; using System.Threading; class Program { private static Mutex mutex = new Mutex(); static void AccessResource(int threadNumber) { Console.WriteLine($"Thread {threadNumber} is waiting for the mutex..."); mutex.WaitOne(); // 请求互斥体 try { Console.WriteLine($"Thread {threadNumber} has entered the critical section."); Thread.Sleep(2000); // 模拟访问共享资源 } finally { Console.WriteLine($"Thread {threadNumber} is leaving the critical section."); mutex.ReleaseMutex(); // 释放互斥体 } } static void Main(string[] args) { for (int i = 1; i <= 5; i++) { int threadNumber = i; new Thread(() => AccessResource(threadNumber)).Start(); } } } 

解释：

• WaitOne: 等待获取互斥体。如果互斥体已经被锁定，线程会阻塞。
• ReleaseMutex: 释放互斥体，让其他等待的线程可以继续执行。

2. 实现条件变量

在 C# 中，可以使用 Monitor 类配合 Pulse 和 Wait 方法模拟条件变量。

using System; using System.Threading; class Program { private static readonly object locker = new object(); private static bool conditionMet = false; static void WorkerThread() { lock (locker) { while (!conditionMet) { Console.WriteLine("Worker thread is waiting for the condition..."); Monitor.Wait(locker); // 线程进入等待状态 } Console.WriteLine("Worker thread is proceeding after condition met."); } } static void MainThread() { lock (locker) { Console.WriteLine("Main thread is setting the condition..."); conditionMet = true; Monitor.PulseAll(locker); // 唤醒所有等待线程 } } static void Main(string[] args) { new Thread(WorkerThread).Start(); Thread.Sleep(2000); // 模拟延迟 MainThread(); } } 

解释：

• Monitor.Wait: 当前线程进入等待状态并释放锁，直到被唤醒后重新尝试获取锁。
• Monitor.Pulse: 唤醒一个等待线程。
• Monitor.PulseAll: 唤醒所有等待线程。

互斥体与条件变量的结合使用

在实际开发中，互斥体和条件变量通常配合使用。例如，生产者-消费者模型中：

• 互斥体： 确保只有一个线程可以修改共享资源（如队列）。
• 条件变量： 用于等待和通知线程，当队列有新数据时通知消费者线程。

using System; using System.Collections.Generic; using System.Threading; class Program { private static Queue<int> queue = new Queue<int>(); private static readonly object locker = new object(); static void Producer() { for (int i = 0; i < 10; i++) { lock (locker) { queue.Enqueue(i); Console.WriteLine($"Produced: {i}"); Monitor.Pulse(locker); // 通知消费者 } Thread.Sleep(500); // 模拟生产时间 } } static void Consumer() { while (true) { lock (locker) { while (queue.Count == 0) { Console.WriteLine("Queue is empty. Consumer is waiting..."); Monitor.Wait(locker); // 等待生产者通知 } int item = queue.Dequeue(); Console.WriteLine($"Consumed: {item}"); } Thread.Sleep(1000); // 模拟消费时间 } } static void Main(string[] args) { new Thread(Producer).Start(); new Thread(Consumer).Start(); } } 

总结

• 互斥体： 控制共享资源的访问，确保线程互斥运行。
• 条件变量： 在线程间传递条件，确保线程在条件满足后被唤醒。
• 应用场景：互斥体： 保护共享资源（如文件写操作、数据修改）。条件变量： 实现生产者-消费者模型、线程间任务依赖等。