今天被GF問到一個問題，某個函數在多線程環境中，會不會有沖突。在幫她解答這個問題的過程中， 發現很多人對線程沖突和線程安全的理解並不是很全面，所以萌發了寫這麼一篇文章的想法，也算是對GF 的問題的一個完整的解答。
水平有限，如有錯漏指出敬請指出。
一、什麼是線程沖突
線程沖突其實就是指，兩個或以上的線程同時對同一個共享資源進行操作而造成的問題。
一個比較經典的例子是，用一個全局變量做計數器，然後開N個線程去完成某個任務，每個線程完成一 次任務就將計數器加一，直到完成100次任務。如果不考慮線程沖突問題，用類似下面的代碼去做，則很 可能會超額完成任務，線程越多，完成任務次數超出100次的可能性就越大。
偽代碼如下：
int count = 0;//全局計數器
void ThreadMethod()//運行在每個線程的方法
{
while( true )
{
if ( count >= 100 )//如果達到任務指標
break;//中斷線程執行
DoSomething();//完成某個任務
count++;
}
}
//省略線程的創建等代碼。
具體的，為什麼會超額完成任務的原因在這裡我就不贅述了，這個例子在單線程環境中是絕對不會超 額完成任務的。
當然，在這個例子中，將count++放到if語句中，也許能降低一些事故發生的概率，但那不是絕對的， 換言之這樣的程序不能杜絕超額完成任務的可能。
其實從線程沖突的定義中我們不難發現，要造成線程沖突有兩個必要條件：多線程和共享資源。這兩 個條件中有一個不成立，就不可能發生線程沖突問題。
所以，在單線程環境中，是不存在線程沖突的問題的。不過很可惜的是，我們的軟件早已進化到了多 進程多線程的時代，單線程的程序幾乎是不存在的，無論是WinForm還是WebForm，程序運行的環境都是多 線程的，而不論你自己是不是明確的開啟了一個線程。
既然多線程是不可避免的，那麼要避免線程沖突就只能從共享資源來開刀了。
二、線程安全的資源
如果大家經常看MSDN或者VS幫助中的.NET類庫參考的話，就不難發現幾乎所有的類型都有這麼一句話 的描述：“此類型的任何公共 static（在 Visual Basic中為 Shared） 成員都是線程安全的。但不保證 所有實例成員都是線程安全的。”那麼線程安全到底是什麼意思？
其實線程安全很簡單，就是指一個函數（方法、屬性、字段或者別的）在同一時間被不同線程使用， 不會造成任何線程沖突的問題。就說這個東西是線程安全的。
接下來來談談什麼樣的資源是線程安全的。
之所以使用資源這個詞，是因為線程沖突不僅僅會發生在共享的變量上，兩個線程同時對同一個文件 進行讀寫，兩個程序同時用同一個端口與同一個地址進行通信，都會造成線程沖突。只不過是操作系統和 幫我們協調了這些沖突而已。
一個線程安全的資源即是指，在不同線程中使用不會導致線程沖突問題的資源。
一個不能被改變的資源是線程安全的，比如說一個常量：
const decimal pai = 3.14159265;
//C++: const double pai = 3.14159265;
因為pai的值不可能被改變，所以在不同的線程中使用也不會造成沖突。換言之它在不同的線程中同時 被使用和在一個線程中被使用是沒有區別的，所以這個東西是線程安全的。
同樣的，在.NET中，一個字符串的實例也是線程安全的，因為字符串的實例在.NET中也是不可以被改 變的。一個字符串的實例一旦被創建，對其所有的屬性、方法調用的結果都是唯一確定的，永遠不會改變 的。所以.NET類庫參考中String類型才有：“此類型是線程安全的。”，與之類似的Type類型、Assembly 類型，都是線程安全的。
但string的實例是線程安全的，卻不代表string的變量是線程安全的，換言之，假設有一個靜態變量 ：
public static string str = “123”;
str不是線程安全的，因為str這個變量的字符串實例可以被任何線程修改。
再考慮這樣的例子：
public static readonly SqlConnection connection = new SqlConnection( “connectionString” );
雖然connection本身雖然是線程安全的，但connection的任何成員都不是線程安全的。
比如說，我在一個線程中對這個connection調用了Open方法，然後進行查詢操作。但在同一時刻，另 一個線程調用了Close方法，這時候，就出現錯誤了。
但，單純的使用connection而不使用其任何成員，比如說if ( connection != null )這樣的代碼，是 不存在線程沖突的。
線程安全的資源其實還有很多，在此不一一贅述。
對於.NET Framework的類型的成員來說，只讀的字段是線程安全的。
那麼對於屬性和方法來說，怎麼知道是不是線程安全的？
三、線程安全的函數
因為屬性和方法都是函數組成的，所以我們探討一下什麼是線程安全的函數。
上面我們說到，線程沖突的必要條件是多線程和共享資源。那麼如果一個函數裡面沒有使用任何可能 共享的資源，那麼就不可能出現線程沖突，也就是線程安全的。比如說這樣的函數：
public static int Add( int a, int b )
{
return a + b;
}
這個函數中所使用的所有的資源都是自己的局部變量，而函數的局部變量是儲存在堆棧上的，每個線 程都有自己獨立的堆棧，所以局部變量不可能跨線程共享。所以這樣的函數顯然是線程安全的。
但值得注意的是：下面的函數不是線程安全的：
public static void Swap( ref int a, ref int b )
//C++: void Swap( in& a, int& b )
{
int c = a;
a = b;
b = c;
}
因為ref的存在，使得函數的參數是按引用傳遞進來的，換言之a和b看起來是函數的局部變量，但實際 上卻是函數外面的東西，如果這兩個東西是另一個函數的局部變量，倒也沒有問題，如果這兩個東西是全 局變量（靜態成員），就不能確保沒有線程沖突了。而在上個例子中，a和b在傳入函數之時，就做了一個 拷貝的動作，所以傳進來的a、b到底是全局變量還是靜態成員都沒有關系了。
同樣，這樣的函數也不是線程安全的：
public static int Add( INumber a, INumber b )
//C++: int Add( INumber* a, INumber* b );
{
return a.Number + b.Number;
//C++: return a->Number + b->Number;
}
原因在於a和b雖然是函數的內部變量沒錯，但a.Number和b.Number卻不是，它們不存在於堆棧上，而 是在托管堆上，可能被其他線程更改。
但只使用局部變量的函數在.NET類庫中是很少的，但.NET類庫中還是有那麼多線程安全的函數，是為 什麼呢？
因為，即使一個函數使用了共享資源，如果其所使用的共享資源都是線程安全的，則這個函數也是線 程安全的。
比如說這樣的函數：
private const string connectionString = “…”;
public string GetConnectionString()
{
return connectionString;
}
雖然這個函數使用了一個共享資源connectionString，但因為這個資源是線程安全的，所以這個函數 還是線程安全的。
同樣的，我們可以得出，如果一個函數只調用線程安全的函數，只使用線程安全的共享資源，那麼這 個函數也是線程安全的。
這裡有一個容易被忽略的問題，運算符。並不是所有的運算符（尤其是重載後的運算符）都是線程安 全的。
四、互斥鎖
有時候我們不得不面對線程不安全的問題，比如說在一開始提出來的那個例子，多線程完成100次任務 ，我們怎樣才能解決這個問題，一個簡單的辦法就是給共享資源加上互斥鎖。在C#中這很簡單。比如一開 始的那個例子：
public static class Environment
{
public static int count = 0;//全局計數器
}
//…
void ThreadMethod()//運行在每個線程的方法
{
while( true )
{
lock ( typeof( Environment ) )
{
if ( count >= 100 )//如果達到任務指標
break;//中斷線程執行
DoSomething();//完成某個任務
count++;
}
}
}
通過互斥鎖，使得一個線程在使用count字段的時候，其他所有的線程都無法使用，而被阻塞等待。達 到了避免線程沖突的效果。
當然，這樣的鎖會使得這個多線程程序退化成同時只有一個線程在跑，所以我們可以把count++提前， 使得lock的范圍縮小，如這樣：
void ThreadMethod()//運行在每個線程的方法
{
while( true )
{
lock ( typeof( Environment ) )
{
if ( count++ >= 100 )//如果達到任務指標
break;//中斷線程執行
}
DoSomething();//完成某個任務
}
}
最後來聊聊SyncRoot的問題。
用.NET的一定會有很多朋友困惑，為什麼對一個容器加鎖，需要這樣寫：
lock( Container.SyncRoot )
而不是直接lock( Container )
因為鎖定一個容器並不能保證不會對這個容器進行修改，考慮這樣一個容器：
public class Collection
{
private ArrayList _list;
public Add( object item )
{
_list.Add( item );
}
public object this[ int index ]
{
get { return _list[index]; }
set { _list[index] = value;}
}
}
看起來，將其lock起來後，就萬事大吉了，沒有人能修改這個容器，但實際上這個容器不過是用一個 ArrayList實例來實現的，如果某段代碼繞過這個容器而直接操作_list的話，則對這個容器對象lock也不 可能保證容器不被修改了。
