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據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的核心部分（如設備驅動、文件系統等）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，原先在緩存中的數據可能不再適用，導致緩存失效。這將使得 CPU 需要從主存（或者更遠的地方）獲取數據，增加了延遲。
- 系統調用開銷：用戶態(tài)切換到內核態(tài)通常發(fā)生在進行系統調用時。系統調用自身就有固定的開銷，比如參數傳遞、錯誤檢查等。
- 調度器開銷：在多任務操作系統中，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，原先在緩存中的數據可能不再適用，導致緩存失效。這將使得 CPU 需要從主存（或者更遠的地方）獲取數據，增加了延遲。
- 系統調用開銷：用戶態(tài)切換到內核態(tài)通常發(fā)生在進行系統調用時。系統調用自身就有固定的開銷，比如參數傳遞、錯誤檢查等。
- 調度器開銷：在多任務操作系統中，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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