C# 实现单线程异步互斥锁

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前言

C#对异步的支持越来越成熟，async、await简化了代码也提高了可读性，但由于在一段上下文中有了异步操作，意味着这段操作可能会被同时重复调用，如果本身没有被设计可以重复调用的情况下，就很可能会出问题。

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一、异步互斥锁的作用是什么？

异步互斥锁的作用是用于确保存在异步操作的上下文同步互斥。可以参考flutter的插件mutex功能与本文基本一样。

示例一、创建和销毁

有创建和销毁两个方法，两个方法中都有异步操作，两个方法可以单独调用，但不可以同时调用。
单线程中连续调用创建和销毁（不在同一个上下文无法用await），如果没有互斥限制有可能出现如下的操作：

创建开始->创建异步操作->消息队列->销毁开始->销毁异步操作->消息队列->销毁完成->消息队列->创建完成

加入异步互斥锁之后

加锁->创建开始->创建完成->解锁

加锁等待->销毁开始->销毁完成->解锁

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二、如何实现？

由于操作都是在单线程我们直接用标识+队列就可以实现一个互斥锁。

1、标识

（1）标识是否锁住

bool _lock = false;

（2）加锁

_lock=true;

（3）解锁

_lock=false;

2、异步通知

通过TaskCompletionSource可以实现异步通知

（1）创建对象

var tcs = new TaskCompletionSource();

（2）返回Task

return tcs.Task;

（3）通知完成

tcs.SetResult();

3、等待队列

用一个队列来记录等待加锁的请求。

（1）创建队列

Queue<TaskCompletionSource> _queue = new Queue<TaskCompletionSource>();

（2） 等待加锁

_queue.Enqueue(tcs);

（3）加锁成功

_queue.Dequeue().SetResult();

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三、完整代码

/// <summary>
/// 异步锁，非线程锁，只能用于单线程异步环境中。
/// </summary>
class AsyncMutex
{
    Queue<TaskCompletionSource> _queue = new Queue<TaskCompletionSource>();
    bool _lock = false;
    /// <summary>
    /// 获取锁
    /// </summary>
    /// <returns>返回Task，await后即进入了锁</returns>
    public Task Acquire()
    {
        if (_lock)
        {
            var tcs = new TaskCompletionSource();
            _queue.Enqueue(tcs);
            return tcs.Task;
        }
        _lock = true;
        return Task.CompletedTask;
    }
    /// <summary>
    /// 尝试获取锁
    /// 因为是单线程环境，重复调用需要切换上下文，否则是无法成功的。
    /// 比如可以await Task.Delay(30);
    /// </summary>
    /// <returns>是否成功</returns>
    public bool TryAcquire()
    {
        if (_lock) return false;
        return _lock = true;
    }
    /// <summary>
    /// 释放锁
    /// </summary>
    public void Release()
    {
        if (_queue.Count > 0)
        {
            _queue.Dequeue().SetResult();
        }
        else
        {
            _lock = false;
        }
    }
}

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四、使用示例

1、基本用法

直接加锁

AsyncMutex _mtx = new AsyncMutex();
async void test()
{
    await _mtx.Acquire();
    //custom code
    _mtx.Release();
}

2、尝试加锁

加锁成功才执行操作

AsyncMutex _mtx = new AsyncMutex();
void test()
{
    if (_mtx.TryAcquire())
    {
        //custom code
        _mtx.Release();
    }
}

超时等待

AsyncMutex _mtx = new AsyncMutex();
async void test()
{
    //超时等待300ms
    bool isLock = false;
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        if (isLock = _mtx.TryAcquire()) break;
        await Task.Delay(30);
    }
    if (isLock)
    {
        //custom code
        _mtx.Release();
    }
}

3、加锁对比

（1）未加锁

async void test(int num)
{
    Console.WriteLine("enter " + num);
    //模拟异步操作
    await Task.Delay(10);
    Console.WriteLine("exit " + num);
}
//.net 6.0
test(1);
test(2);
test(3);

可能出现的组合，效果预览

（2）加锁

AsyncMutex _mtx = new AsyncMutex();
async void test(int num)
{
    await _mtx.Acquire();
    Console.WriteLine("enter " + num);
    //模拟异步操作
    await Task.Delay(10);
    Console.WriteLine("exit " + num);
    _mtx.Release();
}
//.net 6.0
test(1);
test(2);
test(3);

效果预览

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总结

以上就是今天要讲的内容，本文简单的实现了单线程的异步互斥锁，实现起来相对简单，但作用还是比较大的。虽然说有些情况的异步是可以在前期设计上避免同时调用，比如登录按钮点击后出现蒙板不允许再次点击，但是对于已存在的代码出现了同时调用问题，此时有互斥锁则可以避免大范围改动代码，有效解决问题。