Потокобезопасная коллекция с#

Конструкция lock гарантирует следующее: два блока

lock (p)
{
    // тут содержимое блока
}

бегущие в разных потоках, никогда не будут выполнены одновременно, если объект p один и тот же.* Если один поток находится внутри lock, то другой будет ждать окончания выполнения этого блока. В этом и состоит суть блокировки.

Как именно технически это реализуется, не так уж и важно. В C# lock вызывает конструкцию Monitor.Enter, а она, в свою очередь, внутри кода BCL реализует функциональность, подобную CRITICAL_SECTION самостоятельно, используя короткий холостой цикл (spin wait) и системные примитивы синхронизации. На других системах, разумеется, используются другие синхронизационные функции ОС. Как именно работают эти функции — внутренняя подробность устройства ОС (завязанная, надо думать, на системный планировщик потоков).

Главное — знать, что внутрь lock'а на один и тот же объект два потока проникнуть не могут.

*Также она гарантирует нужные memory barrier'ы для многопоточного сценария, но это неважно в контексте данного обсуждения.

Оператор lock (sync) { ... } будет транслирован в следующую конструкцию (.NET >= 4):

// Флаг успешной блокировки
bool acquiredLock = false;
try
{ 
    // Захватываем блокировку для sync
    Monitor.Enter(lockObject, ref acquiredLock);
    // Потокобезопасный код
}
finally
{
    // Освобождаем блокировку для sync если блокировка была выполнена
    if (acquiredLock)
    {
        Monitor.Exit(lockObject);
    }
}

Когда потоком вызывается метод Monitor.Enter то участок кода будет заблокирован для доступа других потоков, вплоть до того момента, когда поток не вызовет метод Monitor.Exit.