C#中的互斥锁是不是忙等待？

Posted 2023-02-16

【中文标题】C#中的互斥锁是不是忙等待？

【英文标题】：Does Mutex in C# busy wait?C#中的互斥锁是否忙等待？

【发布时间】：2015-05-26 13:52:24

【问题描述】：

我想知道 Mutex 对象是否忙于等待或上下文切换（即拥有互斥锁的线程是否进入睡眠状态并稍后被中断唤醒），或者它是否依赖于体系结构（即你的机器有核心）？我希望它实际上会切换上下文。提前谢谢你。

【参考方案1】：

根据文档，Mutex.WaitOne“阻塞当前线程，直到当前 WaitHandle 收到信号”，这意味着它已进入睡眠状态。

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在内部，WaitHandle.WaitOne 将从 Windows API 调用 WaitForSingleObjectEx，其中：

等到指定对象处于信号状态、I/O 完成例程或异步过程调用 (APC) 排队到线程中，或者超时间隔已过。

另外，根据Context Switches上的另一份文件

当正在运行的线程需要等待时，它会放弃剩余的时间片。

【讨论】：

好吧，SpinWait 也会阻塞当前线程——但没有上下文切换。我猜 WaitHandle 部分是 OP 所要求的。

@Agent_L Thread.SpinWait 的文档将其描述为“导致线程等待迭代参数定义的次数”。请注意，文档中没有提到“块”这个词。我认为可以安全地假设这里的“阻塞”意味着“使线程进入睡眠状态”。

@dcastro：-1。你没有回答提问者的问题。问题的核心是 mutex 是如何实现阻塞的，这里的“阻塞”是什么意思。假设阻塞 == 睡眠是不安全的，因为烧毁 CPU 和从运行队列中移除都是“阻塞”的有效方式。事实上，现代互斥体实现，*具有平台相关特性，倾向于将两者用作混合方法的一部分——如果没有竞争，则最初使用自旋等待将线程保持在 CPU 上，否则睡觉。

@antiduh 我在回答中添加了更多细节，希望它清楚地表明“阻塞”并不意味着忙于等待。

@dcastro - 那么你的回答是误导或不正确的。 Mutex.WaitOne()，由 Microsoft .Net 框架实现，确实使用忙等待 - 它由自适应互斥体实现。它会忙——等待一小会儿，试图抓住锁。如果它无法在其线程量子到期之前获取锁，它将停止忙等待并转而休眠。 互斥锁可以在不休眠的情况下阻塞.

【参考方案2】：

这里有一个很好的答案：When should one use a spinlock instead of a mutex?

答案是视情况而定。 .Net 中的Mutex 类通常由操作系统支持，因为它是一个可以在多个进程之间共享的锁；它不打算仅在单个进程中使用。

这意味着我们受制于操作系统的实施。大多数现代操作系统（包括 Windows）都为多核机器实现了自适应互斥锁。

从上面的答案中，我们了解到通过挂起线程来实现锁定通常非常昂贵，因为它至少需要 2 次上下文切换。在多核系统上，我们可以通过尝试旋转等待最初获取锁来避免一些上下文切换 - 如果锁被轻微争用，您可能会在旋转等待中获取锁，因此永远不会遭受惩罚上下文切换/线程暂停。在 spinwait 发生时超时到期的情况下，锁将降级为全线程暂停，以防止浪费过多的 cpu。

这在单核机器上没有任何意义，因为您只会在锁的持有者等待运行以完成释放锁所需的工作时消耗 CPU。单核机器上不使用自适应锁。

所以，直接回答您的问题 - Mutex 类很可能两者兼而有之 - 它会忙等待（自旋等待）一会儿，看看它是否可以在不执行上下文切换的情况下获取互斥锁，如果它不能在它允许的短时间内这样做，它会挂起线程。需要注意的是，它自旋等待的时间通常很短，总体而言，这种策略可以显着降低 CPU 总使用率或提高整体锁吞吐量。因此，即使我们正在消耗 CPU 旋转等待，我们也可能会总体上节省更多 CPU。

在 .Net 的上下文中，Mutex 类提供互斥，但旨在用于多个进程之间，因此往往很慢。具体来说，微软.Net Framework中Mutex类的实现，.NetMutex类使用Win32 Mutex object。

请注意，具体细节可能会根据您使用的 .Net 实现以及操作系统而有所不同。我尝试提供以 .Net/Microsoft/Windows 为中心的主题处理方式，因为这是最常见的情况。

顺便说一句，如果您只需要在单个进程中锁定，则应使用Monitor class 或其关键字lock 来代替。信号量也存在类似的二分法——Semaphore 类最终由操作系统实现——它可用于进程间通信，因此速度较慢； SemaphoreSlim 类在 .Net 中本地实现，只能在单个进程中使用，而且速度更快。关于这一点，一篇好的msdn文章是Overview of Synchronization Primitives。