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C# 多執行緒同步機制全解析：lock、Monitor、Mutex、EventWaitHandle、ReaderWriterLockSlim

編輯：C# 入門

同步問題本質

多執行緒同時存取共享可變狀態 (讀寫變數、集合、檔案等) 時，若無協調，會發生**競態條件**：結果取決於執行緒交錯時序，導致資料不一致、邏輯錯誤。

核心同步原語比較

類別/關鍵字	類型	跨進程	可重入	語意	典型用途
`lock` / `Monitor`	使用者模式	否	是 (同執行緒)	互斥鎖	保護記憶體內共享資料的臨界區
`Mutex`	核心模式	是 (命名)	是	互斥鎖	跨進程同步、單一實例應用
`AutoResetEvent`	核心模式	是 (命名)	—	信號/事件	單一執行緒等待單一信號 (生產者-消費者)
`ManualResetEvent`	核心模式	是 (命名)	—	信號/事件	多執行緒等待同一信號 (廣播通知)
`ReaderWriterLockSlim`	使用者模式	否	否	讀寫鎖	讀多寫少場景，允許並發讀、獨佔寫
`SemaphoreSlim`	使用者模式	否	—	計數信號	限制並發存取數量 (連線池、限流)
`Interlocked`	硬體指令	否	—	原子操作	單一變數增減/交換/比較交換

1. lock / Monitor：最常用的記憶體鎖


private readonly object _lockObj = new(); // 專用鎖物件，不可為 this/字串/值型別裝箱

public void Add(int n) {
    lock (_lockObj) { // 編譯為 Monitor.Enter/Exit + try/finally
        _count += n;
    }
}

// 等價手寫 (需確保 finally 釋放)
public void Delete(int n) {
    Monitor.Enter(_lockObj);
    try {
        _count -= n;
    } finally {
        Monitor.Exit(_lockObj);
    }
}

// 進階：TryEnter 帶逾時，避免死結
public bool TryAdd(int n, int timeoutMs = 1000) {
    if (Monitor.TryEnter(_lockObj, timeoutMs)) {
        try { _count += n; return true; }
        finally { Monitor.Exit(_lockObj); }
    }
    return false;
}

死結預防：
1. 固定鎖獲取順序 (如先鎖 A 再鎖 B)。
2. 使用 Monitor.TryEnter 逾時放棄。
3. 臨界區最小化、避免呼叫外部/虛擬方法。
4. 絕不在 lock 中 await (用 SemaphoreSlim.WaitAsync)。

2. Mutex：跨進程同步


// 單一實例應用
using var mutex = new Mutex(true, "Global\\MyAppSingleton", out bool createdNew);
if (!createdNew) {
    MessageBox.Show("應用程式已在執行中");
    return;
}
Application.Run(new MainForm());
// 進程結束自動釋放 Mutex


// 一般跨進程保護
var mutex = new Mutex(false, "Global\\SharedResourceLock");
mutex.WaitOne(); // 阻塞直到取得
try {
    // 存取共享記憶體/檔案/登錄
} finally {
    mutex.ReleaseMutex();
}

3. AutoResetEvent / ManualResetEvent：執行緒協調


// 生產者-消費者：AutoResetEvent (自動重置，喚醒單一等待者)
var _signal = new AutoResetEvent(false);
Task.Run(() => { // 消費者
    _signal.WaitOne(); // 等待信號
    ProcessItem();
});
// 生產者
_queue.Enqueue(item);
_signal.Set(); // 釋放一個等待者

// 廣播通知：ManualResetEvent (手動重置，喚醒所有等待者)
var _allDone = new ManualResetEvent(false);
// 多個工作者等待
_allDone.WaitOne();
// 完成時
_allDone.Set(); // 釋放所有
// 重置供下輪使用
_allDone.Reset();

4. ReaderWriterLockSlim：讀多寫少最佳化


private readonly ReaderWriterLockSlim _rwLock = new();
private readonly Dictionary _cache = new();

public string Get(int key) {
    _rwLock.EnterReadLock();
    try {
        return _cache.TryGetValue(key, out var v) ? v : null;
    } finally {
        _rwLock.ExitReadLock();
    }
}

public void Set(int key, string value) {
    _rwLock.EnterWriteLock();
    try {
        _cache[key] = value;
    } finally {
        _rwLock.ExitWriteLock();
    }
}

// 可升級讀鎖：讀取時檢查需寫入，原子升級為寫鎖 (避免競態)
public void AddOrUpdate(int key, string value) {
    _rwLock.EnterUpgradeableReadLock();
    try {
        if (!_cache.ContainsKey(key)) {
            _rwLock.EnterWriteLock();
            try { _cache[key] = value; }
            finally { _rwLock.ExitWriteLock(); }
        }
    } finally {
        _rwLock.ExitUpgradeableReadLock();
    }
}

5. SemaphoreSlim：非同步友好的限流器


private readonly SemaphoreSlim _sem = new(10); // 最大並發 10

public async Task ExecuteLimitedAsync(Func> action) {
    await _sem.WaitAsync();
    try {
        return await action();
    } finally {
        _sem.Release();
    }
}