C# 多執行緒機制探索（6）：Monitor 監視器基礎與共享物件同步機制深度解析

一、共享物件同步問題

多執行緒存取同一物件實例時，若無同步機制，會導致資料競爭：讀取到中間狀態、寫入覆蓋、不變量破壞。lock 僅能保護程式碼區塊，Monitor 提供物件級鎖 + 條件變數，支援更精細的協作模式。

二、Monitor 物件鎖機制

Queue q = new Queue();
Monitor.Enter(q);      // 取得鎖，其他執行緒阻塞
// 關鍵區：僅當前執行緒可操作 q
Monitor.Exit(q);       // 釋放鎖

最佳實務：永遠在 try/finally 中釋放：

Monitor.Enter(obj);
try { /* critical section */ }
finally { Monitor.Exit(obj); }

三、Monitor 內部三隊列模型

四、生產者-消費者完整實作 (Cell 類別)

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

    public int ReadFromCell()
    {
        lock (this)
        {
            if (!_readerFlag)
            {
                try { Monitor.Wait(this); }
                catch (SynchronizationLockException) { }
                catch (ThreadInterruptedException) { }
            }
            Console.WriteLine($"Consume: {_cellContents}");
            _readerFlag = false;
            Monitor.Pulse(this);
        }
        return _cellContents;
    }

    public void WriteToCell(int n)
    {
        lock (this)
        {
            if (_readerFlag)
            {
                try { Monitor.Wait(this); }
                catch (SynchronizationLockException) { }
                catch (ThreadInterruptedException) { }
            }
            _cellContents = n;
            Console.WriteLine($"Produce: {_cellContents}");
            _readerFlag = true;
            Monitor.Pulse(this);
        }
    }
}

五、生產者與消費者執行緒類別

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

六、主程式啟動

public class MonitorSample
{
    public static void Main()
    {
        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);

        producer.Start();
        consumer.Start();
        producer.Join();
        consumer.Join();
        Console.ReadLine();
    }
}

七、輸出結果

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

八、關鍵同步邏輯總結

1. 雙緩衝旗標：_readerFlag 區分「可讀」與「可寫」狀態
2. 條件等待：Monitor.Wait 原子性釋放鎖並進入等待隊列
3. 單點喚醒：Monitor.Pulse 僅喚醒一個對方（因只有一個生產者/消費者）
4. 鎖保護旗標：旗標讀寫與 Wait/Pulse 在同一 lock 內，避免競態

九、Monitor 進階特性

• 靜態類別：不可實例化，所有方法靜態
• 關聯物件：鎖資訊儲存在物件標頭 (SyncBlockIndex)
• 重進入：同一執行緒可多次 Enter，需對應 Exit
• 例外安全：SynchronizationLockException 表示在非同步區呼叫 Wait/Pulse

總結

Monitor 是 .NET 執行緒同步的基石，lock 編譯為 Monitor.Enter/Exit。掌握 Wait/Pulse 條件變數模式，可解決生產者-消費者、讀寫鎖、資源池等經典協作問題。現代高階抽象：BlockingCollection<T>、SemaphoreSlim、Channels 內部皆建立於 Monitor 之上。