C# 平行程式設計概述：輕量級同步原語詳細解析

背景

存取共享資料時需顯式同步。.NET Framework 4 在 System.Threading 提供 6 個輕量級同步原語，避免昂貴鎖機制，適用於等待時間短的情境：

• Barrier：多工作依階段協同，屏障同步。
• CountdownEvent：計數歸零觸發信號。
• ManualResetEventSlim：手動重置事件，短等待效能優於 ManualResetEvent。
• SemaphoreSlim：限制並發存取數，效能優於 Semaphore。
• SpinLock：自旋鎖，適合極短關鍵區。
• SpinWait：自旋等待支援。

Barrier：階段式協同工作

範例：模擬 N 人各煮 3 次飯，步驟：打水→淘米→放鍋→蓋蓋→生火。每階段所有人完成才能進入下一階段。

private static Barrier _barrier = new Barrier(_participants, (b) => 
  Console.WriteLine("當前階段:{0}", b.CurrentPhaseNumber));

// 工作方法中每步驟結束呼叫
_barrier.SignalAndWait();

結果：並發版本保證階段順序且大幅降低總耗時（圖表對比）。ContinueWhenAll 在所有任務完成後執行延續邏輯（統計耗時、釋放資源）。

Barrier 超時與異常處理

if (!_barrier.SignalAndWait(2000)) // 等待 2 秒
  throw new OperationCanceledException("等待超時");

try { _barrier.SignalAndWait(); }
catch (Exception ex) { /* 記錄異常 */ continue; }

任務完成後檢查 task.Exception 輸出異常報表。

鎖特性與 Monitor

• 互斥：一次單一執行緒持有鎖，保證資料一致性。
• 可見性：釋放鎖前的修改，後續取得鎖的執行緒可看見。

Monitor.Enter/Exit 與 lock 等價，但 Monitor 提供 TryEnter（支援逾時）、Wait/Pulse/PulseAll 等進階控制。

SpinLock：高效能自旋鎖

適用於關鍵區極短、競爭不激烈情境。注意：不可宣告為 readonly 欄位，否則每次存取取得新副本導致鎖失效。

volatile 關鍵字

「輕量級 lock」：保證可見性（最新值可見），但不具原子性。適用於讀多寫少、簡單旗標同步，效能優於鎖且不阻塞。

ManualResetEventSlim

ManualResetEventSlim mres = new ManualResetEventSlim(false);
Task observer = Task.Factory.StartNew(() => {
  mres.Wait();
  while (true) { if (mres.IsSet) { /* 執行工作 */ } Thread.Sleep(100); }
});
Thread.Sleep(2000);
mres.Set();   // 釋放等待
mres.Reset(); // 重置為無信號
mres.Set();

結合自旋與核心等待，短等待高效能。跨進程/AppDomain 需用 ManualResetEvent。

SemaphoreSlim

SemaphoreSlim ss = new SemaphoreSlim(3); // 最大並發 3
ss.Wait();   // 進入，計數 -1
ss.Release(); // 離開，計數 +1
ss.Release(3); // 一次釋放 3

計數信號量協調資源存取，不保證進入順序。短等待低開銷。

CountdownEvent

CountdownEvent cde = new CountdownEvent(3); // 初始計數 3
cde.Signal(); // 計數 -1
cde.Wait();   // 阻塞至計數歸零
cde.Reset();  // 重置為初始計數
cde.Reset(5); // 重置為指定計數
cde.AddCount(2); // 增加計數

適用於 Fork/Join 模式追蹤動態任務完成，開銷小於 Task.WaitAll。可重複重置實現多輪計數。

作者與出處

作者：釋迦苦僧｜出處：https://www.cnblogs.com/woxpp