C#进阶系列29 混合线程同步构造

Posted 2020-07-18

上一章讲了基元线程同步构造，而其它的线程同步构造都是基于这些基元线程同步构造的，并且一般都合并了用户模式和内核模式构造，我们称之为混合线程同步构造。

在没有线程竞争时，混合线程提供了基于用户模式构造所具备的性能优势，而多个线程竞争一个构造时，混合线程通过基元内核模式的构造来提供不“自旋”的优势。

那么接下来就是个简单的混合线程同步构造的例子，可与上一章最后的那些例子相比较：

 　　public class SimpleHybridLock : IDisposable {
        private Int32 m_waiters = 0;

        private AutoResetEvent m_waiterlock = new AutoResetEvent(false);//注意这里是false

        public void Enter() {
            if (Interlocked.Increment(ref m_waiters)==1) {
                return;
            }
            m_waiterlock.WaitOne();
        }
        public void Leave() {
            if (Interlocked.Decrement(ref m_waiters) == 0) {
                return;
            }
            m_waiterlock.Set();
        }
        public void Dispose() {
            m_waiterlock.Dispose();
        }
    }

上面的例子学了上一张后看起来感觉很简单就不讲解了，只是一个简单的，将Interlocked这种互锁构造和自动重置事件构造AutoResetEvent 结合起来的，混合线程同步构造的例子。

上面混合锁可以去加入自旋，当超过一定的自旋次数时再进行阻塞。也可以去加入互斥体的递归玩法，总之这个东西充满了无限的可能。

.NET 框架类库中的混合构造

总体而言，实际上就是对上面那个简单例子的扩展，它们的目的都是为了使线程能尽可能不去进入内核模式，并且减少线程竞争时自旋的性能影响。

• ManualResetEventSlim类和SemaphoreSlim类
  • 翻译过来就是手工重置事件简化构造和信号量简化构造
  • 发生第一次竞争时才进行内核模式构造，否则为用户模式构造
  • 可传递超时值和CancellationToken，也就是取消啦，信号量那个还能进行异步等待。
• Monitor类和同步块
  • Monitor类是最常用的，支持递归，线程所有权和互斥
  • 然而这个类存在一些问题，容易引发BUG。因为它是一个静态类，它的正确玩法在一定程度上和其它同步构造有所区别。
  • 堆中的每个对象都可以关联一个叫同步块的数据结构，它为内核对象，且拥有线程ID，递归计数，等待线程计数。而Monitor类的操作就涉及到这些同步块的字段。
  • 每个对象都有一个同步块索引，而同步块实际上是在CLR初始化的时候就创建的一个同步块数组中。
  • 一个对象在构造时它的同步块索引为-1，就是没有关联任何同步块。而调用Monitor.Enter后CLR在同步块数组中找到个空白同步块，并设置对象的同步块索引，让它引用该同步块。Exit当然就是取消关联。
  • Monitor.Enter会传一个对象进去，这个对象必须为所在函数的类的私有对象，而不能传所在对象本身，这回让这个锁变成公共的。这样就会引发很多问题。所以最好的方法就是传递一个私有的只读对象。
  • 永远不要讲String，值类型和类型对象传给Monitor.Enter。
  • 而C#有一个lock关键字提供的简化语法就是基于Monitor的。而且其相当于在一个try finally结构上使用。首先不利于性能，其次还可能造成线程访问损坏的状态。所以作者建议杜绝使用lock语法。
  • LockToken变量默认false，只有在Enter调用后才为true，要是在Enter调用前Exit，可以考虑判断LockToken,从而避免错误的Exit。
• ReaderWriterLockSlim类
  • 它的特点：
    • 一个线程向数据写入时，请求访问的其他所有线程都被阻塞
    • 一个线程从数据读取时，请求读取的其它线程允许继续执行，但请求写入的线程仍被阻塞。
    • 向线程写入的线程结束后，要么解除一个写入线程的阻塞，使它能向数据写入，要么解除所有读取线程的阻塞，使它们能并发读取数据。如果没有线程被阻塞，锁就进入可以自由使用的状态，可供下一个reader或writer线程获取。
    • 从数据读取所有线程结束后，一个writer线程被解除阻塞，使它能向数据写入。如果没有线程被阻塞，锁就进入可以自由使用的状态，可供下一个reader或writer线程获取。
  •  根据以上特点有EnterReadLock和EnterWriteLock两种玩法，两种玩法跟之前的那些例子都类似，只是效果不同，这里就不举例了。

虽然提供了这么多同步构造，且玩法也很多。但是最重要的还是一点：能尽量避免就避免阻塞线程，否则应尽量使用Volatile和Interlocked方法，因为它们速度快，然而这两个只能操作简单类型。

一定要阻塞，就可以使用Monitor类，也可以用ReaderWriterLockSlim类，虽然比Monitor慢，但是允许多个线程并发进行，提升了总体性能，减少阻塞线程的几率。

用System.Lazy类或者System.Threading.LazyInitializer类去替代双检索玩法。

一句话解决这个点：

Lazy<String> s=new Lazy<String>(()=>DateTime.Now.ToLongTimeString(),true);

调用的话就用s.Value，实际上就是封装了双检索，有些地方加了些优化。目的就是延时加载。

异步锁

其实叫异步的同步构造，因为一般的同步构造都是用阻塞线程或者自旋来完成，而异步锁的目的就是为了不阻塞来玩。

SemaphoreSlim类的WaitAsync方法就是这个思路，信号量玩法而已。

而reader-writer语义的玩法是ConcurrentExclusiveSchedulerPair类。（当没有ConcurrentScheduler任务时，使用ExclusiveScheduler为独占式运行。没有ExclusiveScheduler运行时，ConcurrentScheduler调度的任务可同时进行）

并发集合类

FCL自带四个线程安全的集合类，全在System.Collections.Concurrent（Concurrent为并发的意思）命名空间中定义。

它们是ConcurrentQueue,ConcurrentStack,ComcurrentDictionary和ConcurrentBag。

所有这些都是“非阻塞“的。（实际上在ConcurrentQueue,ConcurrentStack和ConcurrentBag为空的时候还要提取数据，那么提取数据的这个线程就会被阻塞）