C#多線程編程中的鎖系統（二）

2020-01-24 02:00:48

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供稿：網友

上章主要講排他鎖的直接使用方式。但實際當中全部都用鎖又太浪費了，或者排他鎖粒度太大了。這一次我們說說升級鎖和原子操作。

目錄
1：volatile
2: Interlocked
3：ReaderWriterLockSlim
4：總結

一：volatile

簡單來說： volatile關鍵字是告訴c#編譯器和JIT編譯器，不對volatile標記的字段做任何的緩存。確保字段讀寫都是原子操作，最新值。

這不就是鎖嗎？其這貨它根本不是鎖，它的原子操作是基于CPU本身的，非阻塞的。因為32位CPU執行賦值指令，數據傳輸最大寬度4個字節。

所以只要在4個字節以下讀寫操作的，32位CPU都是原子操作。volatile 它就是利用這個特性來的。

好殘酷的事實？不然，微軟大法這樣是為了提高JIT性能效率，對有些數據進行緩存了(多線程下)。

復制代碼代碼如下:

  //正確
       public volatile Int32 score1 = 1;
        //報錯
        public volatile Int64 score2 = 1;

看上面的例子，我們定義8個字節長度score2就不行了。因為8個字節，32位CPU就分成2個指令執行了。自然就無法保證原子操作了。

這么細節的，忘了怎么辦，那豈不是坑人啊。于是微軟大法直接一棍子打死，限制4個字節以下的類型字段才能用volatile，具體什么、看msdn吧。

那今天我知道了。我編譯平臺改成64位上，只在64位CPU用volatile int64，行不行？不行，編譯器報錯。說了一棍子打死了。。

(^._.^)ﾉ好吧，其實可以用IntPtr這個。

volatile多數情況下很有用處的，畢竟鎖的性能開銷還是很大的。我們可以把當成輕量級的鎖，根據具體場景合理使用，能提高不少程序性能。

線程中的Thread.VolatileRead 和Thread.VolatileWrite 就是volatile的復雜版。

二：Interlocked

MSDN 描述：為多個線程共享的變量提供原子操作。主要函數如下：

Interlocked.Increment　　　　原子操作，遞增指定變量的值并存儲結果。
Interlocked.Decrement　　原子操作，遞減指定變量的值并存儲結果。
Interlocked.Add　　　　　　　原子操作，添加兩個整數并用兩者的和替換第一個整數

Interlocked.CompareExchange(ref a, b, c); 原子操作，a參數和c參數比較，相等b替換a，不相等不替換。

基本用法就不多說了。直接來段CLR via C# interlock anything的例子：

復制代碼代碼如下:

public static int Maximum(ref int target, int value)
        {
            int currentVal = target, startVal, desiredVal; //記錄前后值
            do
            {
                startVal = currentVal; //記錄循環迭代的初始值。
                desiredVal = Math.Max(startVal, value); //基于startVal和value計算期望值desiredVal

//高并發下，線程被搶占情況下，target值會發生改變。

//target startVal相等說明沒改變。desiredVal 直接替換。
currentVal = Interlocked.CompareExchange(ref target, desiredVal, startVal);

            } while (startVal != currentVal); //不相等說明，target值已經被其他線程改動。自旋繼續。
            return desiredVal;
        }

三：ReaderWriterLockSlim

假如我們有份緩存數據A，如果每次都不管任何操作lock一下，那么我的這份緩存A就永遠只能單線程讀寫了，這在Web高并發下是不能忍受的。

那有沒有一種辦法我只在寫入時進入獨占鎖呢，讀操作時不限制線程數量呢？答案就是我們的ReaderWriterLockSlim主角，讀寫鎖。

ReaderWriterLockSlim 其中一種鎖EnterUpgradeableReadLock最關鍵即可升級鎖。

它呢允許你先進入讀鎖，發現緩存A不一樣了，再進入寫鎖，寫入后退回讀鎖模式。

ps：這里注意下net 3.5之前有個ReaderWriterLock 性能較差。推薦使用升級版的 ReaderWriterLockSlim 。

復制代碼代碼如下:

//實例一個讀寫鎖
 ReaderWriterLockSlim cacheLock = new ReaderWriterLockSlim(LockRecursionPolicy.SupportsRecursion);

上面實例一個讀寫鎖，這里注意的是構造函數的枚舉。

LockRecursionPolicy.NoRecursion 不支持，發現遞歸會拋異常。

LockRecursionPolicy.SupportsRecursion 即支持遞歸模式，線程鎖中繼續在使用鎖。

復制代碼代碼如下:

cacheLock.EnterReadLock();
            //do 
                cacheLock.EnterReadLock();
                //do
                cacheLock.ExitReadLock();
            cacheLock.ExitReadLock();

這種模式極易容易死鎖，比如讀鎖里面使用寫鎖。

復制代碼代碼如下:

cacheLock.EnterReadLock();
            //do 
              cacheLock.EnterWriteLock();
              //do
              cacheLock.ExitWriteLock();
            cacheLock.ExitReadLock();

下面是直接拿msdn的緩存例子了，加了簡單注釋。

復制代碼代碼如下:

public class SynchronizedCache
    {
        private ReaderWriterLockSlim cacheLock = new ReaderWriterLockSlim();
        private Dictionary<int, string> innerCache = new Dictionary<int, string>();

        public string Read(int key)
        {
            //進入讀鎖，允許其他所有的讀線程，寫入線程被阻塞。
            cacheLock.EnterReadLock();
            try
            {
                return innerCache[key];
            }
            finally
            {
                cacheLock.ExitReadLock();
            }
        }

        public void Add(int key, string value)
        {
            //進入寫鎖，其他所有訪問操作的線程都被阻塞。即寫獨占鎖。
            cacheLock.EnterWriteLock();
            try
            {
                innerCache.Add(key, value);
            }
            finally
            {
                cacheLock.ExitWriteLock();
            }
        }

        public bool AddWithTimeout(int key, string value, int timeout)
        {
            //超時設置，如果在超時時間內，其他寫鎖還不釋放，就放棄操作。
            if (cacheLock.TryEnterWriteLock(timeout))
            {
                try
                {
                    innerCache.Add(key, value);
                }
                finally
                {
                    cacheLock.ExitWriteLock();
                }
                return true;
            }
            else
            {
                return false;
            }
        }

        public AddOrUpdateStatus AddOrUpdate(int key, string value)
        {
            //進入升級鎖。同時只能有一個可升級鎖線程。寫鎖，升級鎖都被阻塞，但允許其他讀取數據的線程。
            cacheLock.EnterUpgradeableReadLock();
            try
            {
                string result = null;
                if (innerCache.TryGetValue(key, out result))
                {
                    if (result == value)
                    {
                        return AddOrUpdateStatus.Unchanged;
                    }
                    else
                    {
                        //升級成寫鎖，其他所有線程都被阻塞。
                        cacheLock.EnterWriteLock();
                        try
                        {
                            innerCache[key] = value;
                        }
                        finally
                        {
                            //退出寫鎖，允許其他讀線程。
                            cacheLock.ExitWriteLock();
                        }
                        return AddOrUpdateStatus.Updated;
                    }
                }
                else
                {
                    cacheLock.EnterWriteLock();
                    try
                    {
                        innerCache.Add(key, value);
                    }
                    finally
                    {
                        cacheLock.ExitWriteLock();
                    }
                    return AddOrUpdateStatus.Added;
                }
            }
            finally
            {
                //退出升級鎖。
                cacheLock.ExitUpgradeableReadLock();
            }
        }