C# 多執行緒機制探索（11）：Mutex 互斥體進階同步、WaitAll/WaitAny/WaitOne 與 AutoResetEvent 協作模式

一、Mutex：跨進程的重量級同步原語

Mutex (Mutual Exclusion) 類似「計程車」：同一時間只能有一個執行緒「搭乘」（擁有）。支援跨進程同步（具名 Mutex），功能比 lock/Monitor 強大。

二、核心方法對照

三、綜合範例：四執行緒協作同步

using System;
using System.Threading;

public class MutexSample
{
    static Mutex _m1, _m2;
    static AutoResetEvent _e1, _e2, _e3, _e4;
    const int ITERS = 100;

    public static void Main()
    {
        Console.WriteLine("Mutex Sample ...");
        _m1 = new Mutex(true, "MyMutex"); // 具名，主執行緒初始擁有
        _m2 = new Mutex(true);            // 無名，主執行緒初始擁有
        Console.WriteLine(" - Main Owns m1 and m2");

        _e1 = new AutoResetEvent(false);
        _e2 = new AutoResetEvent(false);
        _e3 = new AutoResetEvent(false);
        _e4 = new AutoResetEvent(false);
        var evs = new[] { _e1, _e2, _e3, _e4 };

        var sample = new MutexSample();
        var t1 = new Thread(sample.T1_Start); // WaitAll(m1, m2)
        var t2 = new Thread(sample.T2_Start); // WaitOne(m1)
        var t3 = new Thread(sample.T3_Start); // WaitAny(m1, m2)
        var t4 = new Thread(sample.T4_Start); // WaitOne(m2)

        t1.Start(); t2.Start(); t3.Start(); t4.Start();
        Thread.Sleep(2000);
        Console.WriteLine(" - Main releases m1");
        _m1.ReleaseMutex(); // t2, t3 條件滿足
        Thread.Sleep(1000);
        Console.WriteLine(" - Main releases m2");
        _m2.ReleaseMutex(); // t1, t4 條件滿足

        WaitHandle.WaitAll(evs); // 等待四執行緒結束
        Console.WriteLine("... Mutex Sample");
        Console.ReadLine();
    }

    public void T1_Start()
    {
        Console.WriteLine("t1 Start: WaitAll(m1, m2)");
        Mutex.WaitAll(new[] { _m1, _m2 });
        Thread.Sleep(2000);
        Console.WriteLine("t1 End: WaitAll satisfied");
        _e1.Set();
    }

    public void T2_Start()
    {
        Console.WriteLine("t2 Start: m1.WaitOne()");
        _m1.WaitOne();
        Console.WriteLine("t2 End: m1.WaitOne satisfied");
        _e2.Set();
    }

    public void T3_Start()
    {
        Console.WriteLine("t3 Start: WaitAny(m1, m2)");
        Mutex.WaitAny(new[] { _m1, _m2 });
        Console.WriteLine("t3 End: WaitAny satisfied");
        _e3.Set();
    }

    public void T4_Start()
    {
        Console.WriteLine("t4 Start: m2.WaitOne()");
        _m2.WaitOne();
        Console.WriteLine("t4 End: m2.WaitOne satisfied");
        _e4.Set();
    }
}

四、執行流程分析

1. 主執行緒建立兩個 Mutex 並初始擁有（建構函式 true）
2. 四個工作執行緒啟動，分別等待不同條件：
   • t1：WaitAll(m1, m2) → 需兩者皆釋放
   • t2：m1.WaitOne() → 需 m1 釋放
   • t3：WaitAny(m1, m2) → 需任一釋放
   • t4：m2.WaitOne() → 需 m2 釋放
3. 主執行緒 Sleep 2 秒 → ReleaseMutex(m1) → t2、t3 解除阻塞
4. 主執行緒 Sleep 1 秒 → ReleaseMutex(m2) → t1、t4 解除阻塞
5. WaitHandle.WaitAll(evs) 等待四個 AutoResetEvent 全部觸發

五、AutoResetEvent：單次觸發的訊號旗標

• Set()：發送訊號，釋放單一等待執行緒，自動重置為非訊號狀態
• WaitOne()：等待訊號
• Reset()：手動重置為非訊號
• 異於 ManualResetEvent：後者 Set() 釋放所有等待執行緒，需手動 Reset()

六、Mutex 進階特性

七、最佳實務建議

1. 進程內同步優先用 lock/Monitor：輕量、語法簡潔、無跨進程開銷
2. 跨進程才用具名 Mutex：單機多進程協調、單一實例應用檢查
3. 永遠用 try/finally 保護 ReleaseMutex：避免異常導致永久阻塞
4. 避免 WaitAll 大量 Mutex：STA 執行緒限制、效能較差
5. 考慮 SemaphoreSlim/AsyncLock：非同步等待支援

總結

Mutex 提供跨進程、具名、原子 WaitAll/WaitAny的重量級同步能力。配合 AutoResetEvent 追蹤執行緒完成狀態，可構建複雜的多執行緒協作流程。但進程內同步請優先選擇 lock、SemaphoreSlim、ReaderWriterLockSlim 等輕量替代方案。

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