C# 線程同步基礎：從非原子操作到死鎖防範完全指南

為什麼需要同步？一個計數器的悲劇

啟動 30 個線程並發執行 n++ 10000 次，理論結果應為 300000，但實際運行往往遠小於此值。原因在於 n++ 並非原子操作，其 IL 指令序列為：

• ldsfld：載入字段值
• ldc.i4.1：載入常數 1
• add：相加
• stfld：存回字段

線程在執行這四條指令間被打斷，會導致數據覆蓋，產生「髒數據」。

lock 關鍵字：最簡單的同步手段

使用 lock 將非原子操作包裝為臨界區：

private Object lockN = new Object();

private void IncN()
{
    lock (lockN)
    {
        n++;
    }
}

public void Inc()
{
    for (int i = 0; i < max; i++)
    {
        IncN();
    }
}

也可直接鎖定整個循環，但會嚴重降低併發度，不推薦。

Interlocked 類：無鎖的原子操作

.NET 提供 System.Threading.Interlocked 類，通過 CPU 指令級原子性保證操作不可分割：

public void Inc()
{
    for (int i = 0; i < max; i++)
    {
        Interlocked.Increment(ref n);
    }
}

同樣適用於 Decrement、Exchange 等場景，性能優於 lock。

死鎖：雙向等待的死循環

當兩個線程各持一把鎖並請求對方持有的鎖時，發生死鎖：

lock (objA) { Thread.Sleep(1000); lock (objB) { } }
lock (objB) { Thread.Sleep(2000); lock (objA) { } }

線程 A 持有 objA 等待 objB，線程 B 持有 objB 等待 objA，雙方永久阻塞。

死鎖解決方案

1. 統一鎖獲取順序

所有線程按相同順序請求鎖（如先 objA 後 objB），從根源上消除循環等待條件。

2. 超時機制

使用 Monitor.TryEnter 設置超時，避免無限等待（詳見下一講）。

3. 強制中斷（最後手段）

threadA.Abort();
threadB.Abort();

慎用，可能導致數據不一致或資源洩漏。

總結

同步的核心是將非原子操作原子化。lock 適合複雜邏輯，Interlocked 適合簡單數值操作。死鎖預防優於死鎖恢復，統一鎖順序是最佳實踐。