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令牌环式同步：乒乓球对练的四种实现方式

news 2026/6/12 10:53:30

在并发编程中，"轮流执行"或"交替执行"是一种常见的同步模式。更正式的说法包括令牌环式同步（Token-Ring Synchronization）或互斥交替（Mutual Exclusion Alternation）。本文将通过乒乓球对练的经典示例，展示四种不同的实现方式，并分析它们的优缺点。

问题描述

实现两个线程交替打印"Ping"和"Pong"，共打印100次，形成"Ping Pong Ping Pong..."的交替序列。

实现方式

1. ManualResetEvent 实现

internal class ManualResetTestCode
{public static void Print(){var ping = new ManualResetEvent(true);var pong = new ManualResetEvent(false);// 线程 ATask.Run(() =>{for (int i = 0; i < 100; i++){ping.WaitOne();    // ManualResetEvent的WaitOne不会自动重置，需要手动调用ResetConsole.WriteLine("Ping");pong.Set();ping.Reset();}});// 线程 BTask.Run(() =>{for (int i = 0; i < 100; i++){pong.WaitOne();Console.WriteLine("Pong");ping.Set();pong.Reset();}});}
}

工作原理：

使用两个ManualResetEvent对象，初始状态分别为true（ping可以立即执行）和false（pong需要等待）
每个线程执行前调用WaitOne()等待信号
执行完成后，通过Set()通知对方线程，同时通过Reset()重置自己的信号

优缺点：

✅ 简单直观，易于理解
✅ 可以手动控制信号状态
❌ 需要显式调用Reset()，容易遗漏导致逻辑错误
❌ 性能略差，因为每次都需要手动重置

2. AutoResetEvent 实现

internal class AutoResetControlTestCode
{public static void Print(){var ping = new AutoResetEvent(true);var pong = new AutoResetEvent(false);// 线程 ATask.Run(() =>{for (int i = 0; i < 100; i++){ping.WaitOne();  // WaitOne() 只在事件处于非终止状态时阻塞，并自动重置为falseConsole.WriteLine("Ping");pong.Set();}});// 线程 BTask.Run(() =>{for (int i = 0; i < 100; i++){pong.WaitOne();Console.WriteLine("Pong");ping.Set();}});}
}

工作原理：

使用两个AutoResetEvent对象，初始状态与ManualResetEvent版本相同
WaitOne()方法会自动将事件状态重置为false，无需手动调用Reset()
线程执行完成后，通过Set()通知对方线程

优缺点：

✅ 自动重置，减少了手动操作，降低了出错概率
✅ 代码更简洁，逻辑更清晰
✅ 性能比ManualResetEvent稍好
❌ 无法手动控制信号状态，灵活性稍差

3. TaskCompletionSource 实现

public class TaskCompletionSourceTestCode
{public static async Task PrintAsync(){var pingTcs = new TaskCompletionSource<bool>(TaskCreationOptions.RunContinuationsAsynchronously);var pongTcs = new TaskCompletionSource<bool>(TaskCreationOptions.RunContinuationsAsynchronously);// 先让 ping 侧可以立即发球pingTcs.SetResult(true);// 线程 Avar a = Task.Run(async () =>{for (int i = 0; i < 100; i++){await pingTcs.Task;     // 等"可以发 Ping"的信号Console.WriteLine("Ping");pingTcs = new TaskCompletionSource<bool>(TaskCreationOptions.RunContinuationsAsynchronously);pongTcs.SetResult(true); // 通知对方可以发 Pong}});// 线程 Bvar b = Task.Run(async () =>{for (int i = 0; i < 100; i++){await pongTcs.Task;     // 等"可以发 Pong"的信号Console.WriteLine("Pong");pongTcs = new TaskCompletionSource<bool>(TaskCreationOptions.RunContinuationsAsynchronously);pingTcs.SetResult(true); // 通知对方可以发 Ping}});await Task.WhenAll(a, b);}
}

工作原理：

使用TaskCompletionSource创建可等待的任务
初始时，将ping的任务标记为完成，允许ping立即执行
每个线程执行前等待对应的Task完成
执行完成后，创建新的TaskCompletionSource对象，并将对方的任务标记为完成

优缺点：

✅ 支持异步编程模型，使用await语法更现代
✅ 避免了线程阻塞，提高了资源利用率
✅ 可以传递实际数据，不仅仅是信号
❌ 每次迭代都需要创建新的TaskCompletionSource对象，有一定的内存开销
❌ 代码相对复杂，需要理解异步编程模型

4. Channel 实现

public class ChannelTestCode
{public static async Task PrintChannelAsync(){var pingCh = Channel.CreateUnbounded<bool>();var pongCh = Channel.CreateUnbounded<bool>();// 先让 ping 侧可以立即发球await pingCh.Writer.WriteAsync(true);var a = Task.Run(async () =>{for (int i = 0; i < 100; i++){await pingCh.Reader.ReadAsync(); // 等"可以发 Ping"Console.WriteLine("Ping");await pongCh.Writer.WriteAsync(true); // 通知对方}});var b = Task.Run(async () =>{for (int i = 0; i < 100; i++){await pongCh.Reader.ReadAsync(); // 等"可以发 Pong"Console.WriteLine("Pong");await pingCh.Writer.WriteAsync(true); // 通知对方}});await Task.WhenAll(a, b);}
}

工作原理：

使用Channel创建无界通道
初始时，向ping通道写入数据，允许ping立即执行
每个线程从自己的通道读取数据（等待信号）
执行完成后，向对方通道写入数据（发送信号）

优缺点：

✅ 现代异步编程模型，设计更优雅
✅ 高性能，适合高并发场景
✅ 内置了异步支持，无需手动创建任务
✅ 可以轻松扩展为传递复杂数据
❌ 需要.NET Core 3.0+ 或 .NET 5+ 支持
❌ 对于简单场景，可能显得过于复杂

四种实现方式比较

实现方式	技术类型	异步支持	自动重置	性能	代码复杂度	适用场景
ManualResetEvent	传统同步	❌	❌	中等	简单	简单同步场景，需要手动控制信号
AutoResetEvent	传统同步	❌	✅	中等	简单	简单同步场景，自动控制信号
TaskCompletionSource	异步	✅	✅	较高	中等	异步场景，需要灵活控制任务状态
Channel	现代异步	✅	✅	高	中等	高并发异步场景，需要传递数据