多线程中的锁系统-谈谈自旋锁

Posted 2020-12-29 williamjie

阅读目录：

1. 基础
2. 自旋锁示例
3. SpinLock
4. 继续SpinLock
5. 总结

基础

内核锁：基于内核对象构造的锁机制，就是通常说的内核构造模式。用户模式构造和内核模式构造

           优点：cpu利用最大化。它发现资源被锁住，请求就排队等候。线程切换到别处干活，直到接受到可用信号，线程再切回来继续处理请求。

           缺点：托管代码->用户模式代码->内核代码损耗、线程上下文切换损耗。

                   在锁的时间比较短时，系统频繁忙于休眠、切换，是个很大的性能损耗。

自旋锁：原子操作+自循环。通常说的用户构造模式。  线程不休眠，一直循环尝试对资源访问，直到可用。

           优点：完美解决内核锁的缺点。

           缺点：长时间一直循环会导致cpu的白白浪费，高并发竞争下、CPU的消耗特别严重。

混合锁：内核锁+自旋锁。 混合锁是先自旋锁一段时间或自旋多少次，再转成内核锁。

           优点：内核锁和自旋锁的折中方案，利用前二者优点，避免出现极端情况（自旋时间过长，内核锁时间过短）。

           缺点： 自旋多少时间、自旋多少次，这些策略很难把控。 

           在操作系统及net框架层，这块算法策略做的已经非常优了，有些API函数也提供了时间及次数可配置项，让使用者根据需求自行判断。

自旋锁示例

来看下我们自己简单实现的自旋锁：

  　　　　　 int signal = 0;
            var li = new List<int>();
            Parallel.For(0, 1000 * 10000, r =>
            {
                while (Interlocked.Exchange(ref signal, 1) != 0)//加自旋锁
                {
                    //黑魔法
                }
                li.Add(r);
                Interlocked.Exchange(ref signal, 0);  //释放锁
            });
            Console.WriteLine(li.Count);
            //输出：10000000

上面就是自旋锁：Interlocked.Exchange+while

1：定义signal  0可用，1不可用。

2：Parallel模拟并发竞争，原子更改signal状态。 后续线程自旋访问signal，是否可用。

3：A线程使用完后，更改signal为0。 剩余线程竞争访问资源，B线程胜利后，更改signal为1，失败线程继续自旋，直到可用。

SpinLock

SpinLock是net4.0后Net提供的自旋锁类库，内部做了优化。

简单看下实例：

  var li = new List<int>();
            var sl = new SpinLock();
            Parallel.For(0, 1000 * 10000, r =>
            {
                bool gotLock = false;     //释放成功
                sl.Enter(ref gotLock);    //进入锁
                li.Add(r);
                if (gotLock) sl.Exit();  //释放
            });
            Console.WriteLine(li.Count);
            //输出：10000000

 继续SpinLock

new SpinLock(false)   这个构造函数主要用来检查死锁用，true是开启。

在开启状态下，一旦发生死锁会直接抛异常的。

SpinLock实现的部分源码：

 View Code

从代码中发现SpinLock并不是简单的实现那样一直自旋，其内部做了很多优化。  

1：内部使用了Interlocked.CompareExchange保持原子操作， m_owner 0可用，1不可用。

2：第一次获得锁失败后，继续调用ContinueTryEnter，ContinueTryEnter有三种获得锁的情况。 

3：ContinueTryEnter函数第一种获得锁的方式，使用了while+SpinWait。

4：第一种方式达到最大等待者数量后，命中走第二种。 继续自旋 turn * 100次。100这个值是处理器核数(4, 8 ,16)下最好的。

5：第二种如果还不能获得锁，走第三种。这种就带有混合构造的意思了，如下：

    if (yieldsoFar % 40 == 0) 
                    Thread.Sleep(1);
                else if (yieldsoFar % 10 == 0)
                    Thread.Sleep(0);
                else
                    Thread.Yield();

 Thread.Sleep(1) ： 终止当前线程，放弃剩下时间片 休眠1毫秒， 退出跟其他线程抢占cpu。当然这个一般会更多，系统无法保证这么细的时间粒度。

 Thread.Sleep(0)：  终止当前线程，放弃剩下时间片。  但立马还会跟其他线程抢cpu，能不能抢到跟线程优先级有关。

 Thread.Yeild()：       结束当前线程，让出CPU给其他准备好的线程。其他线程ok后或没有还没有准备好，继续执行当前，Thread.Yeild()会返回个bool值，表示CPU是否让出成功。

从源码中可以学到不少编程技巧，比如可以借鉴自旋+Thread.Yeild() 或 while+Thread.Yeild()等组合使用方式。

 总结

本章介绍了自旋锁的基础及楼主的经验。 关于SpinLock类源码这块，只简单理解了下并没有深究。

测试了下SpinLock和自己实现的自旋锁性能对比（并行添加1000w List<int>()），SpinLock是单纯的自旋锁性能2倍以上。

另外测试了lock的性能，是系统SpinLock性能的3倍以上，可见lock内部自旋的效率更高，CLR暂没开源，看不到CLR具体实现的代码。

参考http://www.projky.com/dotnet/4.0/System/Threading/SpinLock.cs.html