在C#中，Mutex（互斥體）是一種同步原語，用于在線程之間進行互斥訪問控制。它可以確保同時只有一個線程能夠執(zhí)行某個代碼區(qū)塊（通常稱為臨界區(qū)）。這對于需要防止多線程同時修改數(shù)據(jù)或者同時訪問共享資源的情況非常重要。
以下是使用 Mutex 的基本示例：
// 創(chuàng)建一個新的Mutex。創(chuàng)建線程不擁有該Mutex。
var mutex = new Mutex();
mutex.WaitOne(); // 請求擁有Mutex
try
{
// 在此處放置受Mutex保護的代碼。
}
finally
{
mutex.ReleaseMutex(); // 當完成時釋放Mutex。
}
在上述代碼中，
WaitOne() 方法鎖定Mutex，如果其已被其他線程鎖定，則當前線程將等待，直到Mutex被釋放。ReleaseMutex() 方法釋放Mutex，允許其他等待的線程接管臨界區(qū)。
需要注意的是，與其他同步原語（如lock/monitor）相比，Mutex的主要特點是可以跨進程使用。因此，你可以使用Mutex在不同的進程之間同步線程，這是它與其他同步原語的主要區(qū)別。
跨進程使用
在不同的進程中，可以通過使用相同的名稱來訪問同一個 Mutex 對象。
以下是一個例子：
// 在一個進程中創(chuàng)建一個名為 "MyMutex" 的 Mutex
Mutex mutex = new Mutex(false, "MyMutex");
// 在另一個進程中，你可以這樣獲取同一個 Mutex
Mutex sameMutex = Mutex.OpenExisting("MyMutex");
在上述代碼中，
- 第一行代碼在一個進程中創(chuàng)建了一個名為 "MyMutex" 的
Mutex。false 參數(shù)表示調用線程是否應初始擁有此 Mutex。 - 在另一個進程中，我們可以通過調用
Mutex.OpenExisting 方法并傳入相同的名稱 ("MyMutex") 來獲取之前創(chuàng)建的那個 Mutex。
優(yōu)點
- 跨進程同步：
Mutex 可以跨多個進程進行線程同步，這是它最大的優(yōu)勢。這意味著你可以使用 Mutex 在不同的應用程序或進程之間同步線程。 - 所有權：
Mutex 具有所有權的概念，只有創(chuàng)建或者獲取了 Mutex 的線程才能釋放它。 - 容錯性：如果擁有 Mutex 的線程異常終止，操作系統(tǒng)會自動釋放該 Mutex，防止其他線程無限期地等待。
缺點
- 性能問題：由于
Mutex 是操作系統(tǒng)級別的對象，因此在請求和釋放 Mutex 時需要進行用戶模式和內核模式之間的切換，這導致其性能相對較低。 - 復雜性：與其他的同步原語（如
lock 或 Monitor）相比，Mutex 的使用更為復雜。例如，你必須顯式地調用 ReleaseMutex 來釋放 Mutex。而且，如果 Mutex 被過度釋放，將會引發(fā)異常。 - 權限問題：在跨進程使用 Mutex 時，可能會遇到安全和權限問題，需要正確處理這些異常情況。
什么是用戶態(tài)什么是內核態(tài)？
上面描述的缺點中提到了用戶態(tài)和內核態(tài)我們展開看看，在操作系統(tǒng)中，用戶態(tài)（User Mode）和內核態(tài)（Kernel Mode）是CPU運行狀態(tài)的兩種類型，用于控制操作系統(tǒng)和應用程序訪問硬件資源和執(zhí)行某些關鍵指令。
- **用戶態(tài) (User Mode)**：在用戶態(tài)下，運行的軟件（通常是應用程序）不能直接訪問硬件或者參照物理地址。它們必須通過系統(tǒng)調用來請求內核提供服務。這種模式下的運行環(huán)境相對安全，因為應用程序無法直接影響系統(tǒng)核心部分。
- **內核態(tài) (Kernel Mode)**：在內核態(tài)下，運行的軟件（通常是操作系統(tǒng)內核）具有直接訪問硬件和內存的權限，并且可以執(zhí)行任何CPU指令。由于這種模式涉及到對硬件的直接操作，因此一般只有操作系統(tǒng)的核心部分（如設備驅動、文件系統(tǒng)等）才會運行在內核態(tài)。
當一個應用程序需要使用某項硬件資源或是需要執(zhí)行某個特權指令時，它將通過系統(tǒng)調用切換到內核態(tài)。一旦內核完成了請求的任務，它就會切換回用戶態(tài)，讓應用程序繼續(xù)運行。這種用戶態(tài)與內核態(tài)間的切換是有代價的，會消耗計算資源，因此頻繁地進行切換會降低系統(tǒng)的性能。在許多語境中，包括Mutex的使用中，往往需要注意避免不必要的用戶態(tài)和內核態(tài)之間的切換。
用戶態(tài)和內核態(tài)切換時會有哪些性能損耗？
用戶態(tài)和內核態(tài)之間的切換通常被稱為上下文切換（Context Switch）。這種切換會帶來一定的性能損耗，主要包括以下幾個方面：
- CPU 時間消耗：上下文切換涉及到保存和恢復處理器的狀態(tài)，這是一個相對繁瑣的過程，需要消耗一定的 CPU 時間。
- 緩存失效：由于上下文切換可能導致新的程序開始執(zhí)行，原先在緩存中的數(shù)據(jù)可能不再適用，導致緩存失效。這將使得 CPU 需要從主存（或者更遠的地方）獲取數(shù)據(jù)，增加了延遲。
- 系統(tǒng)調用開銷：用戶態(tài)切換到內核態(tài)通常發(fā)生在進行系統(tǒng)調用時。系統(tǒng)調用自身就有固定的開銷，比如參數(shù)傳遞、錯誤檢查等。
- 調度器開銷：在多任務操作系統(tǒng)中，上下文切換通常還會涉及到任務調度器。調度器需要根據(jù)某種策略（如優(yōu)先級、輪轉等）選擇下一個要運行的任務，然后加載該任務的上下文。
如何避免用戶態(tài)和內核態(tài)的切換
用戶態(tài)和內核態(tài)之間的切換通常被稱為上下文切換。這種切換會帶來一定的性能損耗，主要包括以下幾個方面：
- CPU 時間消耗：上下文切換涉及到保存和恢復處理器的狀態(tài)，這是一個相對繁瑣的過程，需要消耗一定的 CPU 時間。
- 緩存失效：由于上下文切換可能導致新的程序開始執(zhí)行，原先在緩存中的數(shù)據(jù)可能不再適用，導致緩存失效。這將使得 CPU 需要從主存（或者更遠的地方）獲取數(shù)據(jù)，增加了延遲。
- 系統(tǒng)調用開銷：用戶態(tài)切換到內核態(tài)通常發(fā)生在進行系統(tǒng)調用時。系統(tǒng)調用自身就有固定的開銷，比如參數(shù)傳遞、錯誤檢查等。
- 調度器開銷：在多任務操作系統(tǒng)中，上下文切換通常還會涉及到任務調度器。調度器需要根據(jù)某種策略（如優(yōu)先級、輪轉等）選擇下一個要運行的任務，然后加載該任務的上下文。
以上建議并非都適用于所有場景，很多時候還需要根據(jù)具體的應用需求做出合理的選擇。
該文章在 2023/10/28 9:15:57 編輯過
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