C# 多執行緒機制探索（7）：Monitor 監視器模式實現生產者消費者模式完整實戰

一、為什麼需要 Monitor？

lock 只能同步程式碼區塊，無法表達「等待特定條件」的語意。Monitor 提供條件變數機制：Wait 釋放鎖並進入等待隊列，Pulse/PulseAll 唤醒等待者。適用於生產者-消費者、讀寫鎖、資源池等需條件同步的場景。

二、Monitor 核心方法

三、Cell 共享資料物件：雙緩衝旗標同步

public class Cell
{
    int _cellContents;
    bool _readerFlag; // true = 可讀/已生產, false = 可寫/待生產

    public int ReadFromCell()
    {
        lock (this)
        {
            if (!_readerFlag) // 尚未生產
            {
                try { Monitor.Wait(this); }
                catch (SynchronizationLockException) { }
                catch (ThreadInterruptedException) { }
            }
            Console.WriteLine($"Consume: {_cellContents}");
            _readerFlag = false; // 標記已消費
            Monitor.Pulse(this); // 通知生產者可生產
        }
        return _cellContents;
    }

    public void WriteToCell(int n)
    {
        lock (this)
        {
            if (_readerFlag) // 尚未消費
            {
                try { Monitor.Wait(this); }
                catch (SynchronizationLockException) { }
                catch (ThreadInterruptedException) { }
            }
            _cellContents = n;
            Console.WriteLine($"Produce: {_cellContents}");
            _readerFlag = true; // 標記已生產
            Monitor.Pulse(this); // 通知消費者可消費
        }
    }
}

四、生產者與消費者類別

public class CellProd
{
    readonly Cell _cell;
    readonly int _quantity;
    public CellProd(Cell cell, int quantity) { _cell = cell; _quantity = quantity; }
    public void ThreadRun()
    {
        for (int i = 1; i <= _quantity; i++)
            _cell.WriteToCell(i);
    }
}

public class CellCons
{
    readonly Cell _cell;
    readonly int _quantity;
    public CellCons(Cell cell, int quantity) { _cell = cell; _quantity = quantity; }
    public void ThreadRun()
    {
        for (int i = 1; i <= _quantity; i++)
            _cell.ReadFromCell();
    }
}

五、主程式啟動與同步

public class MonitorSample
{
    public static void Main()
    {
        int result = 0;
        var cell = new Cell();
        var prod = new CellProd(cell, 20);
        var cons = new CellCons(cell, 20);

        var producer = new Thread(prod.ThreadRun);
        var consumer = new Thread(cons.ThreadRun);

        try
        {
            producer.Start();
            consumer.Start();
            producer.Join();
            consumer.Join();
            Console.ReadLine();
        }
        catch (ThreadStateException e) { Console.WriteLine(e); result = 1; }
        catch (ThreadInterruptedException e) { Console.WriteLine(e); result = 1; }

        Environment.ExitCode = result;
    }
}

六、執行結果與流程分析

Produce: 1
Consume: 1
Produce: 2
Consume: 2
...
Produce: 20
Consume: 20

1. 生產者取得鎖，檢查 _readerFlag=false，寫入 1，設 true，Pulse
2. 消費者取得鎖，檢查 _readerFlag=true，讀取 1，設 false，Pulse
3. 交替進行，嚴格 1:1 對應

七、關鍵設計細節

八、Monitor vs lock vs Semaphore 比較

總結

Monitor 以物件鎖 + 條件變數模式實現精細的執行緒協作。生產者-消費者模式展示 Wait 釋放鎖等待、Pulse 單點喚醒的經典交互模式。掌握 Monitor 可構建資源池、背壓控制、多階段管線等進階同步結構。現代替代方案：BlockingCollection<T> (內建生產消費)、Channels (非同步管線)、SemaphoreSlim (非同步信號)。