知識(shí)點(diǎn)

競(jìng)爭(zhēng)條件

當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程訪問共享數(shù)據(jù)，并且嘗試同時(shí)改變它時(shí)，就發(fā)生爭(zhēng)用的情況。它們所依賴的那部分共享數(shù)據(jù)，叫做競(jìng)爭(zhēng)條件。

數(shù)據(jù)爭(zhēng)用是競(jìng)爭(zhēng)條件中的一種，出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)條件可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存(數(shù)據(jù))損壞或者出現(xiàn)不確定性的行為。

線程同步

如果有 N 個(gè)線程都會(huì)執(zhí)行某個(gè)操作，當(dāng)一個(gè)線程正在執(zhí)行這個(gè)操作時(shí)，其它線程都必須依次等待，這就是線程同步。

多線程環(huán)境下出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)條件，通常是沒有執(zhí)行正確的同步而導(dǎo)致的。

CPU時(shí)間片和上下文切換

時(shí)間片(timeslice)是操作系統(tǒng)分配給每個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程微觀上的一段 CPU 時(shí)間。

首先，內(nèi)核會(huì)給每個(gè)進(jìn)程分配相等的初始時(shí)間片，然后每個(gè)進(jìn)程輪番地執(zhí)行相應(yīng)的時(shí)間，當(dāng)所有進(jìn)程都處于時(shí)間 片耗盡的狀態(tài)時(shí)，內(nèi)核會(huì)重新為每個(gè)進(jìn)程計(jì)算并分配時(shí)間片，如此往復(fù)。

請(qǐng)參考：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%97%B6%E9%97%B4%E7%89%87

上下文切換（Context Switch），也稱做進(jìn)程切換或任務(wù)切換，是指 CPU 從一個(gè)進(jìn)程或線程切換到另一個(gè)進(jìn)程或線程。

在接受到中斷（Interrupt）的時(shí)候，CPU 必須要進(jìn)行上下文交換。進(jìn)行上下文切換時(shí)，會(huì)帶來性能損失。

請(qǐng)參考[https://zh.wikipedia.org/wiki/上下文交換

阻塞

阻塞狀態(tài)指線程處于等待狀態(tài)。當(dāng)線程處于阻塞狀態(tài)時(shí)，會(huì)盡可能少占用 CPU 時(shí)間。

當(dāng)線程從運(yùn)行狀態(tài)(Runing)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)時(shí)(WaitSleepJoin)，操作系統(tǒng)就會(huì)將此線程占用的 CPU 時(shí)間片分配給別的線程。當(dāng)線程恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)(Runing)，操作系統(tǒng)會(huì)重新分配 CPU 時(shí)間片。

分配 CPU 時(shí)間片時(shí)，會(huì)出現(xiàn)上下文切換。

內(nèi)核模式和用戶模式

只有操作系統(tǒng)才能切換線程、掛起線程，因此阻塞線程是由操作系統(tǒng)處理的，這種方式被稱為內(nèi)核模式(kernel-mode)。

Sleep()、Join() 等，都是使用內(nèi)核模式來阻塞線程，實(shí)現(xiàn)線程同步(等待)。

內(nèi)核模式實(shí)現(xiàn)線程等待時(shí)，出現(xiàn)上下文切換。這適合等待時(shí)間比較長(zhǎng)的操作，這樣會(huì)減少大量的 CPU 時(shí)間損耗。

如果線程只需要等待非常微小的時(shí)間，阻塞線程帶來的上下文切換代價(jià)會(huì)比較大，這時(shí)我們可以使用自旋，來實(shí)現(xiàn)線程同步，這一方法稱為用戶模式(user-mode)。

Interlocked 類

為多個(gè)線程共享的變量提供原子操作。

使用 Interlocked 類，可以在不阻塞線程(lock、Monitor)的情況下，避免競(jìng)爭(zhēng)條件。

Interlocked 類是靜態(tài)類，讓我們先來看看 Interlocked 的常用方法：

全部方法請(qǐng)查看：https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.interlocked?view=netcore-3.1#methods

1，出現(xiàn)問題

問題：

? C# 中賦值和一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算不是原子操作，受多線程環(huán)境影響，可能會(huì)出現(xiàn)問題。

我們可以使用 lock 和 Monitor 來解決這些問題，但是還有沒有更加簡(jiǎn)單的方法呢？

首先我們編寫以下代碼：

        private static int sum = 0;
        public static void AddOne()
        {
            for (int i = 0; i < 100_0000; i++)
            {
                sum += 1;
            }
        }

這個(gè)方法的工作完成后，sum 會(huì) +100。

我們?cè)?Main 方法中調(diào)用：

        static void Main(string[] args)
        {
            AddOne();
            AddOne();
            AddOne();
            AddOne();
            AddOne();
            Console.WriteLine("sum = " + sum);
        }

結(jié)果肯定是 5000000，無可爭(zhēng)議的。

但是這樣會(huì)慢一些，如果作死，要多線程同時(shí)執(zhí)行呢？

好的，Main 方法改成如下：

        static void Main(string[] args)
        {
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
                Thread thread = new Thread(AddOne);
                thread.Start();
            }

            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
            Console.WriteLine("sum = " + sum);
        }

筆者運(yùn)行一次，出現(xiàn)了 sum = 2633938

我們將每次運(yùn)算的結(jié)果保存到數(shù)組中，截取其中一段發(fā)現(xiàn)：

8757
8758
8760
8760
8760
8761
8762
8763
8764
8765
8766
8766
8768
8769

多個(gè)線程使用同一個(gè)變量進(jìn)行操作時(shí)，并不知道此變量已經(jīng)在其它線程中發(fā)生改變，導(dǎo)致執(zhí)行完畢后結(jié)果不符合期望。

我們可以通過下面這張圖來解釋：

因此，這里就需要原子操作，在某個(gè)時(shí)刻，必須只有一個(gè)線程能夠進(jìn)行某個(gè)操作。而上面的操作，指的是讀取、計(jì)算、寫入這一過程。

當(dāng)然，我們可以使用 lock 或者 Monitor 來解決，但是這樣會(huì)帶來比較大的性能損失。

這時(shí) Interlocked 就起作用了，對(duì)于一些簡(jiǎn)單的操作運(yùn)算， Interlocked 可以實(shí)現(xiàn)原子性的操作。

實(shí)現(xiàn)原子性，可以通過多種鎖來解決，目前我們學(xué)習(xí)到了 lock、Monitor，現(xiàn)在來學(xué)習(xí) Interlocked ，后面會(huì)學(xué)到更加多的鎖的實(shí)現(xiàn)。

2，Interlocked.Increment()

用于自增操作。

我們修改一下 AddOne 方法：

        public static void AddOne()
        {
            for (int i = 0; i < 100_0000; i++)
            {
                Interlocked.Increment(ref sum);
            }
        }

然后運(yùn)行，你會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)果 sum = 5000000 ，這就對(duì)了。

說明 Interlocked 可以對(duì)簡(jiǎn)單值類型進(jìn)行原子操作。

Interlocked.Increment() 是遞增，而 Interlocked.Decrement() 是遞減。

3，Interlocked.Exchange()

Interlocked.Exchange() 實(shí)現(xiàn)賦值運(yùn)算。

這個(gè)方法有多個(gè)重載，我們找其中一個(gè)來看看：

public static int Exchange(ref int location1, int value);

意思是將 value 賦給 location1 ，然后返回 location1 改變之前的值。

測(cè)試：

        static void Main(string[] args)
        {
            int a = 1;
            int b = 5;

            // a 改變前為1
            int result1 = Interlocked.Exchange(ref a, 2);

            Console.WriteLine($"a新的值 a = {a}   |  a改變前的值 result1 = {result1}");

            Console.WriteLine();

            // a 改變前為 2，b 為 5
            int result2 = Interlocked.Exchange(ref a, b);

            Console.WriteLine($"a新的值 a = {a}   | b不會(huì)變化的  b =    |   a 之前的值  result2 = {result2}");
        }

另外 Exchange() 也有對(duì)引用類型的重載：

Exchange<T>(T, T)

4，Interlocked.CompareExchange()

其中一個(gè)重載：

public static int CompareExchange (ref int location1, int value, int comparand)

比較兩個(gè) 32 位有符號(hào)整數(shù)是否相等，如果相等，則替換第一個(gè)值。

如果 comparand 和 location1 中的值相等，則將 value 存儲(chǔ)在 location1中。 否則，不會(huì)執(zhí)行任何操作。

看準(zhǔn)了，是 location1 和 comparand 比較！

使用示例如下：

        static void Main(string[] args)
        {
            int location1 = 1;
            int value = 2;
            int comparand = 3;

            Console.WriteLine("運(yùn)行前：");
            Console.WriteLine($" location1 = {location1}    |   value = {value} |   comparand = {comparand}");

            Console.WriteLine("當(dāng) location1 != comparand 時(shí)");
            int result = Interlocked.CompareExchange(ref location1, value, comparand);
            Console.WriteLine($" location1 = {location1} | value = {value} |  comparand = {comparand} |  location1 改變前的值  {result}");

            Console.WriteLine("當(dāng) location1 == comparand 時(shí)");
            comparand = 1;
            result = Interlocked.CompareExchange(ref location1, value, comparand);
            Console.WriteLine($" location1 = {location1} | value = {value} |  comparand = {comparand} |  location1 改變前的值  {result}");
        }

5，Interlocked.Add()

對(duì)兩個(gè) 32 位整數(shù)進(jìn)行求和并用和替換第一個(gè)整數(shù)，上述操作作為一個(gè)原子操作完成。

public static int Add (ref int location1, int value);

只能對(duì) int 或 long 有效。

回到第一小節(jié)的多線程求和問題，使用 Interlocked.Add() 來替換Interlocked.Increment()。

        static void Main(string[] args)
        {
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
                Thread thread = new Thread(AddOne);
                thread.Start();
            }

            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2));
            Console.WriteLine("sum = " + sum);
        }
        private static int sum = 0;
        public static void AddOne()
        {
            for (int i = 0; i < 100_0000; i++)
            {
                Interlocked.Add(ref sum,1);
            }
        }

6，Interlocked.Read()

返回一個(gè)以原子操作形式加載的 64 位值。

64位系統(tǒng)上不需要 Read 方法，因?yàn)?4位讀取操作已是原子操作。 在32位系統(tǒng)上，64位讀取操作不是原子操作，除非使用 Read 執(zhí)行。

public static long Read (ref long location);

就是說 32 位系統(tǒng)上才用得上。

到此這篇關(guān)于C#多線程系列之原子操作的文章就介紹到這了。希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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