接下來我們來說一些有關(guān)線程同步里其它同步場景會用到的數(shù)據(jù)類型。這些數(shù)據(jù)類型其實(shí)也可以用在之前我們說過的那些場景，不過今天我們先講了它們之后，你就會對多線程的這些數(shù)據(jù)類型有一個大概的了解。你無需學(xué)習(xí)得非常棒，它們也不必全都馬上記下來。因?yàn)檫@些 API 都是你以后可以通過網(wǎng)絡(luò)查閱查找的，所以大概知道用在什么地方，怎么用基本上就可以了。

Part 1 Mutex 類型

這個 mutex 單詞可能你不認(rèn)識，它實(shí)際上也確實(shí)不是一個單詞。它是兩個單詞的合成，全稱 mutual exclusion。mutual 是“互相的”的意思，而 exclusion 是“排斥”的意思，所以 mutual exclusion 是“互相排斥的”的意思，中文則可以直接簡化翻譯成“互斥的”。這個詞取出了 mutual 的 mut 部分（mut 是詞根，不可拆分），而 exclusion 取出了 ex 部分，湊在一起就成了一個單詞。

Mutex 的意思是“互斥”，這么直接翻譯好像看不太懂。它的作用是為了讓東西有一個綁定，使得這個對象只能在這個時候一直被占用，而別的任何東西都不可以再次使用它。和 lock 有點(diǎn)像？我來舉個例子，介紹一下使用場景。

考慮一種情況。假設(shè)你現(xiàn)在運(yùn)行某個程序。這個程序你期望用戶最多只能打開一個，而不能一口氣開兩個三個甚至更多相同的這個程序。我們常常使用 Mutex 類型來完成這個任務(wù)。

程序在打開之前會觸發(fā)一個所謂的 Load 事件（這個 Load 事件是窗體所擁有的一種特有事件。這個可能需要你學(xué)習(xí)了比如 Windows Form、WPF 或者相關(guān)其它的窗體框架才能知道它的一些細(xì)節(jié)。這里我們不展開說明這個 Load 事件，只是告訴大家這里我們可以通過事件成員來 += 一個回調(diào)函數(shù)，防止用戶重復(fù)打開窗體）。我們可以在 Load 事件里追加一個執(zhí)行的回調(diào)函數(shù)，代碼大概這么寫：

比如這樣的代碼。假設(shè)它被放在剛啟動程序的這個回調(diào)函數(shù)里。我們注意這里我們要用到 using 語句。Mutex 創(chuàng)建出來的實(shí)例，需要傳入三個參數(shù)。第一個參數(shù)我們不用了解得非常深入，它表示給調(diào)用線程一個權(quán)利掌控這個 Mutex 實(shí)例。我們這里只需要主線程管理就可以了，所以置為 false。第二個參數(shù)是這個 Mutex 實(shí)例給取個名字。這個名字最好是獨(dú)一無二的、和別的程序獨(dú)立開的一個名字。我這里用了一下反射獲取了當(dāng)前運(yùn)行的程序集的全名（比如說我現(xiàn)在創(chuàng)建了一個解決方案項(xiàng)目名叫 HelloWorld，那么這個全名就是這個 HelloWorld）。第三個參數(shù)是一個 out 參數(shù)，它通過構(gòu)造器調(diào)用后返回出一個結(jié)果，表示當(dāng)前程序是否有別的地方有所使用。

“別的地方有所使用”，好像不好理解是吧。你想想，能夠找到程序名都是一樣的（就那個 mutexName），那顯然就說明程序開了倆了嘛。這個時候我們這個 out 參數(shù)就返回 false 表示有別的地方還有；如果是 true 的話，就說明這個是第一個程序。

之后，我們把參數(shù)結(jié)果接收一下，然后判斷這個 bool 結(jié)果。如果 bool 返回 false，就說明有別的相同的程序?qū)嵗淮蜷_了，那么我們此時直接輸出錯誤信息，然后 return 直接退出程序。這大概就是這個 Mutex 類型的用法。

請?zhí)貏e注意，Mutex 實(shí)例必須要用 using 去釋放內(nèi)存（或者手動調(diào)用無參的實(shí)例方法 ReleaseMutex 釋放），否則這個內(nèi)存可能會堆積在堆內(nèi)存里導(dǎo)致 GC 一直長時間無法回收它，出現(xiàn)內(nèi)存溢出的問題。

另外，這個 mutexName 可以追加一些別的字符串信息進(jìn)去。因?yàn)樽址侵鹱址容^的，所以如果說遇到相同字符串的話，就說明遇到了相同的東西，程序就會限制你無法繼續(xù)啟動程序。舉個例子，這個名字只限制了程序名，但如果我這個系統(tǒng)有多個用戶，我每一個用戶都想打開它的話，上面的 mutexName 因?yàn)橹挥谐绦蛎年P(guān)系，因此“按用戶只能啟動一個程序?qū)嵗钡臈l件就做不到了。這個時候你可能就需要繼續(xù)往 mutexName 參數(shù)追加額外的信息，比如用戶名等等，這樣可以防止啟動程序的時候重名。

順帶一提，如果要獲取計算機(jī)啟動的這個用戶賬戶的名字是什么，你可以使用 System 命名空間下有一個 Environment 類型，它有一個靜態(tài)屬性 UserDomainName 和 UserName 可以獲取當(dāng)前活躍的（你現(xiàn)在登錄的這個）用戶名。其中 UserName 屬性包含敏感信息，因此不建議你隨便使用，特別是直接把這個結(jié)果打印出來顯示。但你可以在后臺操作和使用這個屬性的值，比如拿來區(qū)分用戶賬戶信息等。

Part 2 Semaphore 類型

要說 Mutex 的話，Mutex 只能按單個實(shí)體來限制執(zhí)行。那么如果要按指定數(shù)量的話，Mutex 就不夠了，這個時候我們需要上 Semaphore 了。

Semaphore 確實(shí)是一個生僻詞，一般基本上只有計算機(jī)專業(yè)的同學(xué)會接觸到。這個詞的意思是“信號量”，這么說不夠直觀。你可以想象成一個數(shù)值信息，標(biāo)志同一個實(shí)例只能有多少個。如果打開一個窗口，就占用一個 semaphore 的單位，如果再打開一個窗口，又占用一個 semaphore 的單位；關(guān)閉一個窗口，就會釋放掉一個 semaphore 的單位。這樣的方式可以控制一個相同窗口可以打開多少個。類似這樣的概念的，我們可以使用 Semaphore 類型來完成。

單詞 semaphore 讀作 [?sem??f?r]。

這個稍微復(fù)雜一些，而且用途并不大，所以就不給大家展示例子了。你自己查資料吧。

Part 3 WaitHandle 類型

這個簡單說一下即可。WaitHandle 是剛才這兩個數(shù)據(jù)類型的基類型，它提供了一些方法可以用于控制線程同步。前文介紹的只是簡單的控制窗體是不是打開了，或者打開了幾個，這樣的行為。這些還不屬于線程同步的范疇。由于它們的基類型包含一些線程同步的方法，所以剛才那兩個數(shù)據(jù)類型都具有相同的方法集。

WaitHandle 類型提供了一系列線程同步的方法，先來說的是 WaitAll 方法。WaitAll 方法用于控制線程執(zhí)行，至少得等到所有子線程都執(zhí)行完成了之后，主線程才繼續(xù)運(yùn)行，否則會一直卡?。愃朴谶M(jìn)行了 while 的循環(huán)一樣）。來看一個例子。

簡單說一下這里的一些沒有介紹過的數(shù)據(jù)類型。首先程序進(jìn)入 Main 方法，調(diào)取了線程池的其中兩個線程來執(zhí)行相同的 DoTask 方法。這兩個線程均傳入了參數(shù)，是由類型的靜態(tài)只讀字段 WaitHandles 提供的。這個字段是一個 WaitHandle 的數(shù)組，有兩個元素。這兩個元素實(shí)例化賦值的時候用的是一個叫做 AutoResetEvent 類型來實(shí)例化的。這個 AutoResetEvent 實(shí)例是用來通知和告知線程可以繼續(xù)執(zhí)行的一個通信用的類型。先來看后面的代碼我們再來逐步了解。

Main 方法里第 17 行執(zhí)行 WaitHandle 類型里的靜態(tài)方法 WaitAll，傳入一個參數(shù)，是剛才我們的靜態(tài)只讀字段 WaitHandles，它的傳入是為了讓我們現(xiàn)在執(zhí)行的后臺線程序列和主線程關(guān)聯(lián)起來。因?yàn)槲覀冎挥惺褂妙~外的類型實(shí)例才可以和已經(jīng)開始執(zhí)行了的后臺線程產(chǎn)生關(guān)聯(lián)和通知。

接著，后面是輸出語句了。WaitAll 靜態(tài)方法通過使用 AutoResetEvent 的實(shí)例來控制主線程是否卡住不執(zhí)行下面的。如果所有在 WaitHandles 里給定的綁定上的后臺線程已經(jīng)全部都執(zhí)行完畢了，WaitAll 方法才會通過 WaitHandles 數(shù)組接收到信息，以放行主線程。

再來看 DoTask 方法。這個方法里面是把 state 強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成了 AutoResetEvent 的實(shí)例。這是顯然的，因?yàn)槲覀儎偛旁陟o態(tài)只讀字段里就給了實(shí)例化的賦值語句都是 AutoResetEvent 類型的。所以直接強(qiáng)轉(zhuǎn)沒有問題（只是我之前寫的代碼為了嚴(yán)謹(jǐn)所有才讓大家經(jīng)常習(xí)慣于使用 is 和 as 來獲取數(shù)值，避免拋異常）。

接著，第 29 行代碼給 time 進(jìn)行了隨機(jī)賦值的過程，這個 time 用于了后面第 31 行的當(dāng)前線程暫停執(zhí)行多少毫秒的過程。這里是用的隨機(jī)數(shù)來生成了一個固定的數(shù)據(jù)。r 是前面的靜態(tài)只讀字段，是隨機(jī)數(shù)生成器 Random 類型的實(shí)例；而這里 r.Next 則會執(zhí)行產(chǎn)生 2 到 10 之間的隨機(jī)數(shù)。接著把這個隨機(jī)結(jié)果和 1000 相乘表示暫停多少毫秒（換算單位）。

第 30 行是打印顯示這個毫秒信息。第 32 行是在等待了指定的毫秒數(shù)之后，線程恢復(fù)執(zhí)行，于是調(diào)用了 AutoResetEvent 這個類型里的實(shí)例方法 Set 來通知剛才 WaitAll 方法里傳入的這個數(shù)組，我這個線程已經(jīng)好了。

一共我們開始了兩個后臺線程的執(zhí)行，所以 WaitAll 方法會直接等兩個線程都執(zhí)行完成才可以放行。剛才只是介紹的其中一個線程，但另外一個線程的邏輯也是調(diào)用 DoTask 方法，因此我不用再說一遍了。

最后，第 20 到第 23 行代碼輸出顯示程序執(zhí)行用了多久。這個結(jié)果你想想，因?yàn)槭嵌嗑€程，所以應(yīng)該是什么結(jié)果？是不是應(yīng)該是執(zhí)行較長的這個線程的用時，是整個程序的用時？因?yàn)槎嗑€程是并發(fā)執(zhí)行的，所以時間執(zhí)行差距只可能在這個第 29 行的 time 上。而這個 time 越長，等待時間就越長，那么這個線程結(jié)束就越晚。而線程是同時開始的，所以總用時肯定是較長的這個作為結(jié)果才對。

另外，WaitHandle 還有別的方法，比如 WaitOne 方法。這個方法只用讓程序等待一個線程執(zhí)行完成就可以了。如果相同的代碼，只改變 WaitAll 成 WaitOne 的話，那么程序就變成了只要有一個線程結(jié)束就放行的效果，因此這種情況下，運(yùn)行結(jié)果就是較短用時的線程作為整個程序的用時了。

Part 4 ThreadStaticAttribute 特性將字段線程級別私有化

多線程的最后一個內(nèi)容就是介紹一下，如何線程級別私有化字段了。

這個“線程級別私有化”是什么意思呢？考慮一種情況。靜態(tài)字段可以存儲一個全局客觀存在的有效數(shù)值并被多個線程訪問。但我無法做到像是實(shí)例那樣，一個實(shí)例擁有一個數(shù)值的情況。靜態(tài)字段是全局存在的，它只在程序啟動的那個時候初始化后就再也不會創(chuàng)建第二個相同的實(shí)例了。如果在多線程里，我不想這樣，我想一個線程享用一個靜態(tài)實(shí)例，而所有線程都享用的是同一個靜態(tài)字段的話，該怎么辦呢？

問題聽懂了嗎？就是一個靜態(tài)字段只有一個，但我想按線程區(qū)分靜態(tài)字段，使得它們按線程級別獨(dú)立開來而執(zhí)行期間互不影響其數(shù)值，應(yīng)該怎么做。

很簡單，給字段加一個 [ThreadStatic] 就可以了。

請看這個例子。這個例子里，我給 count 字段標(biāo)記上了 ThreadStaticAttribute 特性。雖然它是靜態(tài)字段，但在運(yùn)行程序過程之中，因?yàn)楸淮蛄藰?biāo)簽，所以程序會把這個靜態(tài)字段按線程獨(dú)立開來。也就是說，現(xiàn)在有兩個線程，一個主線程（Main 方法），一個前臺線程（Decrement 方法）在同時執(zhí)行獲取 count 的數(shù)值，并一個自增一個自減。

Thread.Join 實(shí)例方法這個我們之前沒說過。Join 方法表示我當(dāng)前調(diào)用的線程如果優(yōu)先比主線程執(zhí)行完畢就自動終結(jié)（歸并到主線程），然后程序就剩下一個線程了；如果沒有結(jié)束，那么線程就會繼續(xù)執(zhí)行，直到線程執(zhí)行完成，程序才可繼續(xù)執(zhí)行后面的內(nèi)容，有點(diǎn)類似于前面的 Wait 相關(guān)方法的概念，只不過它是在 Thread 類型里就自帶了一個方法。

另請注意。這個方法的錯誤使用會阻塞主線程，因?yàn)樗枰尞?dāng)前執(zhí)行線程執(zhí)行完成后才可繼續(xù)讓父線程往下繼續(xù)。特別是這個語句被放在主線程的代碼段里（比如這個例子里就是這么干的），否則主線程會被卡死，跟之前說的 UI 里放 Thread.Sleep 一樣的道理。

按道理來說因?yàn)槭峭粋€實(shí)例，所以結(jié)果必然是不穩(wěn)定的：因?yàn)椴豢稍佻F(xiàn)性。但因?yàn)?ThreadStaticAttribute 特性的作用會讓兩個線程單獨(dú)享受不同的 count 字段的數(shù)值，因此相當(dāng)于在說，即使 count 是唯一的，但 Main 里和 Decrement 里使用的是不同的實(shí)例，只是它們初始數(shù)值都是 count 給的這個初始數(shù)值 0.01134。所以，結(jié)果應(yīng)該是執(zhí)行完 32767 遍循環(huán)后（short.MaxValue 是 32767），整數(shù)部分的話，一個輸出肯定是 32767，一個則是 -32767。來看結(jié)果：

有人問，欸，不對啊。這個 Main 方法里，初始數(shù)值是 0.01134，所以結(jié)果是對的；但負(fù)數(shù)咋不對，小數(shù)位的數(shù)值哪里去了？小數(shù)位不應(yīng)該是 98866 嗎（1 - 0.01134 = 0.98866）？

很好，問題很棒。我來說一下細(xì)節(jié)，為什么負(fù)數(shù)這邊小數(shù)位不見了。它不是計算錯誤，也不是小數(shù)精度不夠?qū)е虏伙@示了，這些原因都不對。

這是一個細(xì)節(jié)上的東西。C# 的多線程處理在對對象初始化數(shù)值的時候（特別是字段的時候）有這么一個神奇的約定：由于這個靜態(tài)字段標(biāo)記了 [ThreadStatic]，所以字段會在程序集啟動的時候自動執(zhí)行初始化。雖然我們是把這個初始化數(shù)值的語句（即那個賦值語句，= 0.01134）寫在了靜態(tài)字段自己的后面，但實(shí)際上它在后臺和底層代碼里，是在靜態(tài)構(gòu)造器里完成初始化的。

靜態(tài)構(gòu)造器是一個為了解決我們無法三兩句代碼初始化一個靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的數(shù)值的時候會用到的一種初始化寫法：

它的寫法是一個 static 關(guān)鍵字，加上類型名，無參，然后帶上大括號，把初始化一個靜態(tài)數(shù)據(jù)成員的語句寫進(jìn)去。這個東西解決了很大一部分無法一句話或一個表達(dá)式初始化靜態(tài)字段成員的問題。

而在多線程里，即使你標(biāo)記 [ThreadStatic]，也只能說明你這個數(shù)據(jù)會被多個線程獨(dú)立享有和使用，但初始數(shù)值并不是都相同的。也就是說，多線程享有的同一個靜態(tài)字段（標(biāo)記了這個特性的字段）只有和靜態(tài)構(gòu)造器執(zhí)行在同一個線程里，享有的這個字段的初始值才是由靜態(tài)構(gòu)造器初始化后的結(jié)果，而別的線程全部都是零初始值（即 default(T) 表達(dá)式的結(jié)果，T 取決于這個靜態(tài)字段自身的類型）。也就是說，就這個程序來說，只有主線程是跟靜態(tài)構(gòu)造器是一個線程，所以它拿到的 count 字段才是真的 0.01134，而別的線程，全部拿到的 count 的初始值都是 0。正因?yàn)槿绱?，你看到的副線程運(yùn)算下來，是沒小數(shù)位的，因?yàn)椤跏贾稻蜎]小數(shù)位。

Part 5 STAThreadAttribute 修飾主方法

在一些窗體程序里（比如 Windows Form），我們可能會使用 STAThreadAttribute 特性來修飾主方法。這個是干嘛的呢？用于和 COM 組件交互的時候。

Windows Form 是一個全新的窗體框架（它現(xiàn)在有點(diǎn)老了，這里只是相對于 COM 組件而言），它基本上用不到 COM 組件了。但你仍然會看到 Windows Form 程序的 Main 方法上標(biāo)記了這個特性。這是因?yàn)?Windows Form 仍然會在一些地方用到 COM 組件，比如消息框（MessageBox 類型）之類的。

在這些時候，如果你不標(biāo)記這個特性的話，該程序集在運(yùn)行的時候就無法知道我現(xiàn)在在基于什么框架在執(zhí)行。由于 COM 組件早期的實(shí)現(xiàn)問題，可以說是飽受詬病，比如 GC 早就分代算法了，而 COM 組件的框架的內(nèi)存回收機(jī)制還在用計數(shù)引用。

正是因?yàn)檫@些差別，我們必須給當(dāng)前 Main 方法標(biāo)記這個特性。這個特性是為啥標(biāo)記在方法上呢？這是因?yàn)檫\(yùn)行時交互的時候有所處理。Main 方法剛好是程序集的第一個啟動方法，因此它非常特殊。而 Windows Form 是單線程的，所以我們得標(biāo)記該特性進(jìn)行告知，這也是其中一個目的。

STAThreadAttribute 的 STA 是 Single-thread Apartment 的縮寫，即“單線程單元”的意思。與之對比的還有一個 Multi-thread Apartment，即多線程單元。Windows Form 是單線程的，所以我標(biāo)記別的特性，甚至不標(biāo)記特性的話，可能 Windows Form 的程序都無法正常工作。所以這個特性對于一些程序上相當(dāng)重要。

不過，微軟窗體程序做得還是非常棒的。到現(xiàn)在，微軟還搞出了 WPF（Windows 呈現(xiàn)基礎(chǔ)）、UWP（統(tǒng)一 Windows 平臺）、MAUI（多平臺應(yīng)用程序 UI）、Windows UI（Windows 桌面端 UI）等不同的窗體框架。Windows Form 也逐漸走向棄用，所以我們這些內(nèi)容都只需要了解一下就行了，說不定以后也沒機(jī)會再接觸到它們了。

Part 6 總結(jié)

各位。非常感謝你看到這里。我們的整個教程到這里就全部結(jié)束了。非常感謝大家一如既往對 C# 教程的支持和熱愛。

哈哈哈哈別被騙了。確實(shí)，我們的正統(tǒng) C# 語法就全部結(jié)束了，不過 C# 教程仍然會繼續(xù)更新，給大家介紹從 C# 2 到如今的新語法、新特性的使用方式。