C# 線程同步機制全解析：從 volatile 到 ReaderWriterLock

在多線程程式設計中，資源同步是核心課題。.NET 提供了豐富的同步工具箱，針對不同場景選擇適當機制，才能兼顧效能與正確性。本文系統整理七種常見同步方式，並附上實戰程式碼。

1. volatile 關鍵字：輕量級欄位同步

將欄位標記為 volatile，告訴編譯器與 CLR 不要對該欄位進行優化重排，確保每次讀取都能拿到最新值。適用類型包括：參考型別、指標（unsafe）、基本數值型別（sbyte, byte, short, ushort, int, uint, char, float, bool）以及以這些為基礎的列舉型別。

2. Interlocked 類別：整數運算的原子性保證

看似簡單的 i = i + 1 實際包含讀取、加一、寫回三步驟，多線程下極易產生競態條件。System.Threading.Interlocked 提供原子操作方法：

• Increment(ref int)：原子遞增
• Decrement(ref int)：原子遞減
• Exchange(ref int, int)：原子交換數值

int i = 0;
Interlocked.Increment(ref i);  // i = 1
Interlocked.Decrement(ref i);  // i = 0
Interlocked.Exchange(ref i, 100); // i = 100

3. lock 關鍵字：最常用的獨佔鎖

lock(obj) { ... } 相當於 Monitor.Enter/Exit 的語法糖，確保同一時間只有一個線程進入關鍵區段。簡單易用，但缺乏嘗試鎖定、超時等進階控制。

4. Monitor 類別：更精細的同步控制

提供 TryEnter（嘗試獲取鎖，失敗立即返回）、Wait/Pulse/PulseAll（等待/喚醒機制），支援「生產者-消費者」等複雜協作模式。範例展示如何用 Wait/Pulse 實現座位等待通知：

lock (m_isFull) {
    Console.WriteLine("Wait for seat");
    Monitor.Wait(m_isFull); // 釋放鎖並阻塞
    Console.WriteLine("Have a good lunch!");
}
// 另一線程
lock (m_isFull) {
    Console.WriteLine("Seat changed");
    Monitor.Pulse(m_isFull); // 唤醒等待線程
}

5. Mutex 互斥體：跨進程同步

功能類似 Monitor，但 Mutex 是系統級核心物件，可跨進程甚至跨機器同步。適用於多個獨立程式存取共享資源（如設定檔）的場景。透過 WaitOne() 獲取、ReleaseMutex() 釋放。

6. ReaderWriterLock：多讀單寫的高效選擇

當「讀多寫少」時，獨佔鎖會嚴重降低並發度。ReaderWriterLock 允許多個線程同時讀取，但寫入時需獨佔，且寫入期間阻塞所有讀取。適合快取、設定資料等場景。

7. SynchronizationAttribute：類別級自動同步

標記類別為 [Synchronization] 並繼承 ContextBoundObject，CLR 會自動為該類別實例加上同步域，確保同一時間只有一個線程能執行其方法。屬於「上下文繫結」進階技術，使用需謹慎評估效能影響。

其他同步原語

AutoResetEvent、ManualResetEvent、Semaphore、EventWaitHandle 等基於事件訊號機制，適合線程間協作排程，詳細用法請參考 MSDN 文件。