C#多线程编程（6）--线程安全2 互锁构造Interlocked

在线程安全1中，我介绍了线程同步的意义和一种实现线程同步的方法：volatile。volatile关键字属于原子操作的一种，若对一个关键字使用volatile，很多时候会显得很“浪费”，因为只有在并发访问的情况下才需要“易变”读写，单线程访问时并不需要。在命名空间System.Threading命名空间中提供了InterLock类，该类中提供了一些原子方法。本文来介绍如何使用这些方法。

• 　　互锁

　　在抢占式系统中，一个线程在执行到任何阶段都有可能被其他线程“打断”，原子操作能够保证该操作不被其他线程打断，其他线程的“打断”只可能发生在该操作的之前或之后。InterLock类中的方法就是”原子“式的，最常用的方法有：

public static class InterLock{
    // return (++location)
    public static int Increment(ref int location);
    // return(--location)
    public static int Decrement(ref int location);
    // return(location += value)
    //注意，也可能是负数，从而实现减法运算。
    public static int Add(ref int location, int value)
    // int old = location; location = value; return old;
    public static int Exchange(ref int location, int value);
    //old = location1;
    //if(location1 = comparand) location1 = value;
    //return old;
    public static int CompareExchange(ref int location1,
           int value, int comparand);
    ...
}

　　《CLR via C#》的作者在书中说他喜欢Interlocked中的方法，因为它不但很快，而且不会阻塞线程。为了验证InterLock真的很快，我们对变量进行一百万次的写，与Volatile.Write()来进行对比，看看是否真的快。

 static void Main(string[] args){
     TestInterLock();
     Console.ReadLine();
 }
 private static volatile int v = 0;
 private static int n = 0;
 static void TestInterLock(){
     Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
     for (int i = 0; i < 1000000; i++)
         v++;
     Console.WriteLine("volatile write 1000000 times takes:{0}", sw.ElapsedMilliseconds);
     sw = Stopwatch.StartNew();
     for (int i = 0; i < 1000000; i++)
         Interlocked.Increment(ref n);
     Console.WriteLine("InterLock write 1000000 times takes:{0}", sw.ElapsedMilliseconds);
     n = 0;
     sw = Stopwatch.StartNew();
     for (int i = 0; i < 1000000; i++)
         n++;
     Console.WriteLine("n++ write 1000000 times takes:{0}", sw.ElapsedMilliseconds);
 }

　　运行结果如下：

volatile write 1000000 times takes:2

InterLock write 1000000 times takes:8

n++ write 1000000 times takes:2

　　我运行了好几次，结果会有些出入，但是大部分的结果都是volatile的写入速度和原生的n++的速度是一样的。InterLock也确实如Jeffrey Richter所说，很快，只是没有volatile关键字修饰的变量的读写快。这是在非并发情况下，下面来看一下并发情况下是否还是很快。

static void TestInterLock1(){
    Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
    Task[] t2 = new[] { new Task(() =>    {
        for (int i = 0; i < 1000000; i++)
            Interlocked.Increment(ref n);
    }), new Task(() => { 
        for (int i = 0; i < 1000000; i++)
            Interlocked.Increment(ref n);}) };
    Task[] t1 = new[] { new Task(() =>    {
        for (int i = 0; i < 1000000; i++)
            v++;
    }), new Task(() => { 
        for (int i = 0; i < 1000000; i++)
            v++;}) };
    Task.WhenAll(t1)
        .ContinueWith(t => Console.WriteLine("volatile write 2000000 times takes:{0}", sw.ElapsedMilliseconds));
    Task.WhenAll(t2)
        .ContinueWith(t => Console.WriteLine("InterLock write 2000000 times takes:{0}", sw.ElapsedMilliseconds));
    t2[0].Start();
    t1[0].Start();
    t1[1].Start();
    t2[1].Start();
}

　　先看运行结果，

volatile write 2000000 times takes:94
InterLock write 2000000 times takes:101

　　多次运行，运行时间会有不同，但是在并发情况下，volatile的写入和InterLock的写入速度几乎相同。上述代码写的如此丑陋，而不是直接写Task.Run()，是为了保证初始化部分都运行完成后，再Start()，且两个任务的先后顺序进行了打乱，最大限度减少误差。可以看到并发情况下，volatile和InterLock几乎一样，且在InterLock中的方法要比Volatile的功能要全，但是在串行时，Volatile的性能要比InterLock要好。结论是，若只对变量读写，没有替换或者其他复杂操作时，可以使用volatile关键字，但是一些复杂操作，需要原子操作时，就得使用InterLock中的方法了，如果使用volatile关键字修饰的变量来进行交换的话，很难保证原子性，只有引入锁才能保证线程同步。且InterLock中提供了几个重载方法，能够接受object类型，还有泛型版本。

可以利用InterLock来实现一个简单的自旋锁，代码如下：

public struct SimpleSpinLock{
    private int m_Lock;

    public void Enter(){
        while (true){
            if (Interlocked.Exchange(ref m_Lock, 1) == 0) return;
            //此处可以添加黑科技
        }
    }

    public void Leave(){
        Volatile.Write(ref m_Lock, 0);
    }
}

//下面是如何使用SimpleSpinLock的例子
public class Simple{
    private SimpleSpinLock m_lock = new SimpleSpinLock();

    public void AccessResource(){
        m_lock.Enter();
        //执行某些程序，只有一个线程可以进入这里
        m_lock.Leave();
    }
}

　　这个简单的自旋锁在一个线程调用Enter()时，其他线程在调用m_lock.Enter()方法时，if (Interlocked.Exchange(ref m_lock, 1) == 0)会失败，因为该方法会将m_lock和1交换，并返回旧值，在已有线程调用m_lock.Enter()时，m_lock的旧值是1，因此该方法会在whle(true)处自旋，不断尝试获得锁。该锁的问题是，该线程没有被阻塞（挂起），而是一直在占用CPU资源，其他需要CPU资源的线程无法运行（可以在while内，我加注释的地方，加入”黑科技“来尝试解决此问题。其思路是在线程自旋的过程中，立刻交出CPU资源，可通过调用Thread.Sleep(0)或者Thread.Yield()来实现。尝试获得锁的线程交出时间片，这样当前获得锁的线程能够有更多的资源来运行程序，从而运行结束并交出锁，具体细节在这里不展开）。因此，自旋锁只适合那些运行非常快的方法。

• Interlocked Anything 模式

　　Interlocked中全部是原子性操作，那是否提供了一个方法，该方法可以接受一个委托，保证该委托在运行时是原子的。答案是没有，但是可以利用Interlocked.CompareExchange来自己实现一个。我们先来看一下利用CompareExchange来实现原子性的Maximum方法。

public static int Maximum(ref int target, int value){
    int currentValue = target, startValue, desireValue;
    do{
        startValue = currentValue;
        //可以在此处添加任何想要保证“原子性”的操作，此处是求最大值。
        desireValue = Math.Max(startValue, value);
        //注意，此处有可能被其他线程抢占，也有可能target的值被修改，因此if()语句会出问题，要使用Interlocked的方法。
        //if (startValue = target) target = desireValue;
        currentValue = Interlocked.CompareExchange(ref target, desireValue, startValue);
    } 
    //若在此时target已被修改，则重新计算最大值
    while (startValue != currentValue);
    return currentValue;
}

　　此方法的思路是：从CPU将target的值读到寄存器中，到计算最大值结束，期间的任何时间target都有可能被其他线程修改。因此保证原子性就被转换成保证计算最大值时，target的值没有变过，如果变过，就重新计算。因此，在最开始的时候，startValue=currentValue，currentValue是开始计算时target的值。然后求得最大值，并保存到desireValue中。注意，此时target有可能被修改，因此调用CompareExchange方法，该方法会将target与startValue比较，如果此时两值相等，那相当于我之前说的，target从开始到最后没有改变，那么这个最大值是准确的，并将target的旧值付给currentValue，最后如果startValue==currentValue，则计算完成，否则继续循环。

　　《CLR via C#》的作者Jeff很喜欢上面的方法，他在实际开发中，都是使用上面的方法，并对其进行了包装，使之能够支持Interlocked Anything。其原理就是在desireValue=Math.Max()处替换成其他方法，只要在返回结果时保证旧值和最开始读取的值一致就可以。我们来看一下他的封装：

delegate int Morpher<TResult, in TArgument>(int startValue, TArgument argument, out TResult result);

static TResult Morph<TResult, TArgumen>(ref int target, TArgumen argumen, Morpher<TResult, TArgumen> morpher){
    TResult mophorResult;
    int currentValue = target, desireValue, startValue;
    do{
        startValue = currentValue;
        desireValue = morpher(startValue, argumen, out mophorResult);
        currentValue = Interlocked.CompareExchange(ref target, desireValue, startValue);
    } 
    while (currentValue != startValue);
    return mophorResult;
}

说实话，我并不能非常好了理解这个封装，并不是不能理解做法，而是不能确定此方法到底能不能实现效果，那我们来测试一下。测试的基本思路是对一个变量执行1000次的result+=10。分别是不带线程同步的和利用Morph方法对result+=10的方法进行互锁，保证其原子性。我省去了Morpher和Morph的声明部分。之所以要在DelayAdd和DelayAdd1方法中调用ThreadSleep(20)，是为了模拟当在运行较长的方法时，Morph方法是否还能够保证该方法运行的原子性。

static void Main(string[] args){
    Test(new TestAction(Add), "Add");
    Test(new TestAction(MorphAdd), "MorphAdd");
    Console.ReadLine();
}
//DelayAdd1的变种，使之能够符合Morpher的签名
static int DelayAdd(int startValue, int argument, out int result){
    Thread.Sleep(20);
    result = startValue + argument;
    return result;
}

static void DelayAdd1(int argument, ref int result){
    Thread.Sleep(20);
    result += argument;
}
//测试的不具有线程同步的方法。
static void Add(ref int result){
    DelayAdd1(10, ref result);
}
//具有线程同步的方法。
static void MorphAdd(ref int result){
    Morph(ref result, 10, new Morpher<int, int>(DelayAdd));
}
//要测试的委托签名
delegate void TestAction(ref int result);
//公共测试方法
static void Test(TestAction action, string actionName){
    int result = 0;
    var tList = new Task[1000];
    for (int i = 0; i < 1000; i++)
        tList[i] = Task.Run(() =>
        {
            action(ref result);
        });
    Task.WhenAll(tList).GetAwaiter().OnCompleted(
        () => Console.WriteLine("{0}, Result is {1}", actionName, result));
}

运行，得到的结果是：

Add, Result is 8440
MorphAdd, Result is 10000

运行1000次result += 10，普通的Add不能够得到正确结果，但是MorphAdd可以。这是因为在1000次的Add中，某几个Add是同时调用的，result+=10在同一时间调用了多次，因此有156次的Add因为并行而被吞噬了。值得注意的是，MorphAdd方法因为需要线程同步，因此执行时间要慢很多。但是这些付出是值得的，因为这保证了结果的正确。

　　上述例子证明了Morph方法能够保证委托的原子性，且该方法既不会阻塞线程也不会长时间的自旋，推荐大家在实际中使用该方法。

　　本文中，我先介绍了Interlocked类中较常用的方法，以及Interlocked.Increment()方法与volatile关键字的对比，结论是虽然将变量设置为所有读写都是“易变的”看起来很浪费，但是该关键字能够保证在单线程时几乎没有性能损失，大部分情况下和原生的读写是一样的速度，且volatile比Interlocked类中提供的写要快2-4倍，但是在并发状态下其性能和volatile关键字是没有差别的。之后我介绍了用Interlocked类中的方法来实现简单的自旋锁，该锁的优点是在非竟态情况下非常快，但是在竟态情况下，未获得锁的线程会一直处于自旋状态，白白浪费CPU。最后介绍了《CLR via C#》书中提到的Interlocked Anything的方法（文中其他的知识点大多也是提取自《CLR via C#》），并测试了该方法确实可以保证委托的原子性，且不会阻塞线程，没有锁，不会造成死锁。至此线程同步中互锁构造就讲完了，后面我会给大家介绍内核构造的信号量和其他锁。