C#多線程系列之線程等待
前言
volatile 關(guān)鍵字
volatile 關(guān)鍵字指示一個字段可以由多個同時執(zhí)行的線程修改。
我們繼續(xù)使用《C#多線程(3)：原子操作》中的示例：
static void Main(string[] args)
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
new Thread(AddOne).Start();
}
Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(5));
Console.WriteLine("sum = " + sum);
Console.ReadKey();
}
private static int sum = 0;
public static void AddOne()
{
for (int i = 0; i < 100_0000; i++)
{
sum += 1;
}
}運(yùn)行后你會發(fā)現(xiàn)，結(jié)果不為 500_0000，而使用 Interlocked.Increment(ref sum);后，可以獲得準(zhǔn)確可靠的結(jié)果。
你試試再運(yùn)行下面的示例：
static void Main(string[] args)
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
new Thread(AddOne).Start();
}
Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(5));
Console.WriteLine("sum = " + sum);
Console.ReadKey();
}
private static volatile int sum = 0;
public static void AddOne()
{
for (int i = 0; i < 100_0000; i++)
{
sum += 1;
}
}你以為正常了？哈哈哈，并沒有。
volatile 的作用在于讀，保證了觀察的順序和寫入的順序一致，每次讀取的都是最新的一個值；不會干擾寫操作。
詳情請點(diǎn)擊：https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/keywords/volatile
其原理解釋：https://theburningmonk.com/2010/03/threading-understanding-the-volatile-modifier-in-csharp/
三種常用等待
這三種等待分別是：
Thread.Sleep();
Thread.SpinWait();
Task.Delay();
Thread.Sleep(); 會阻塞線程，使得線程交出時間片，然后處于休眠狀態(tài)，直至被重新喚醒；適合用于長時間的等待；
Thread.SpinWait(); 使用了自旋等待，等待過程中會進(jìn)行一些的運(yùn)算，線程不會休眠，用于微小的時間等待；長時間等待會影響性能；
Task.Delay(); 用于異步中的等待，異步的文章后面才寫，這里先不理會；
這里我們還需要繼續(xù) SpinWait 和 SpinLock 這兩個類型，最后再進(jìn)行總結(jié)對照。
再說自旋和阻塞
前面我們學(xué)習(xí)過自旋和阻塞的區(qū)別，這里再來擼清楚一下。
線程等待有內(nèi)核模式(Kernel Mode)和用戶模式(User Model)。
因?yàn)橹挥胁僮飨到y(tǒng)才能控制線程的生命周期，因此使用 Thread.Sleep() 等方式阻塞線程，發(fā)生上下文切換，此種等待稱為內(nèi)核模式。
用戶模式使線程等待，并不需要線程切換上下文，而是讓線程通過執(zhí)行一些無意義的運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)等待。也稱為自旋。
SpinWait 結(jié)構(gòu)
微軟文檔定義：為基于自旋的等待提供支持。
SpinWait 是結(jié)構(gòu)體；Thread.SpinWait() 的原理就是 SpinWait 。
如果你想了解 Thread.SpinWait() 是怎么實(shí)現(xiàn)的，可以參考 https://www.tabsoverspaces.com/233735-how-is-thread-spinwait-actually-implemented
線程阻塞是會耗費(fèi)上下文切換的，對于過短的線程等待，這種切換的代價會比較昂貴的。在我們前面的示例中，大量使用了 Thread.Sleep() 和各種類型的等待方法，這其實(shí)是不合理的。
SpinWait 則提供了更好的選擇。
屬性和方法
老規(guī)矩，先來看一下 SpinWait 常用的屬性和方法。
屬性：
| 屬性 | 說明 |
|---|---|
| Count | 獲取已對此實(shí)例調(diào)用 SpinOnce() 的次數(shù)。 |
| NextSpinWillYield | 獲取對 SpinOnce() 的下一次調(diào)用是否將產(chǎn)生處理器，同時觸發(fā)強(qiáng)制上下文切換。 |
方法：
| 方法 | 說明 |
|---|---|
| Reset() | 重置自旋計(jì)數(shù)器。 |
| SpinOnce() | 執(zhí)行單一自旋。 |
| SpinOnce(Int32) | 執(zhí)行單一自旋，并在達(dá)到最小旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)后調(diào)用 Sleep(Int32) 。 |
| SpinUntil(Func) | 在指定條件得到滿足之前自旋。 |
| SpinUntil(Func, Int32) | 在指定條件得到滿足或指定超時過期之前自旋。 |
| SpinUntil(Func, TimeSpan) | 在指定條件得到滿足或指定超時過期之前自旋。 |
自旋示例
下面來實(shí)現(xiàn)一個讓當(dāng)前線程等待其它線程完成任務(wù)的功能。
其功能是開辟一個線程對 sum 進(jìn)行 +1，當(dāng)新的線程完成運(yùn)算后，主線程才能繼續(xù)運(yùn)行。
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
new Thread(DoWork).Start();
// 等待上面的線程完成工作
MySleep();
Console.WriteLine("sum = " + sum);
Console.ReadKey();
}
private static int sum = 0;
private static void DoWork()
{
for (int i = 0; i < 1000_0000; i++)
{
sum++;
}
isCompleted = true;
}
// 自定義等待等待
private static bool isCompleted = false;
private static void MySleep()
{
int i = 0;
while (!isCompleted)
{
i++;
}
}
}新的實(shí)現(xiàn)
我們改進(jìn)上面的示例，修改 MySleep 方法，改成：
private static bool isCompleted = false;
private static void MySleep()
{
SpinWait wait = new SpinWait();
while (!isCompleted)
{
wait.SpinOnce();
}
}或者改成
private static bool isCompleted = false;
private static void MySleep()
{
SpinWait.SpinUntil(() => isCompleted);
}SpinLock 結(jié)構(gòu)
微軟文檔：提供一個相互排斥鎖基元，在該基元中，嘗試獲取鎖的線程將在重復(fù)檢查的循環(huán)中等待，直至該鎖變?yōu)榭捎脼橹埂?/p>
SpinLock 稱為自旋鎖，適合用在頻繁爭用而且等待時間較短的場景。主要特征是避免了阻塞，不出現(xiàn)昂貴的上下文切換。
筆者水平有限，關(guān)于 SpinLock ，可以參考 https://www.c-sharpcorner.com/UploadFile/1d42da/spinlock-class-in-threading-C-Sharp/
另外，還記得 Monitor 嘛？SpinLock 跟 Monitor 比較像噢~http://chabaoo.cn/article/237307.htm
在《C#多線程(10：讀寫鎖)》中，我們介紹了 ReaderWriterLock 和 ReaderWriterLockSlim ，而 ReaderWriterLockSlim 內(nèi)部依賴于 SpinLock，并且比 ReaderWriterLock 快了三倍。
屬性和方法
SpinLock 常用屬性和方法如下：
屬性：
| 屬性 | 說明 |
|---|---|
| IsHeld | 獲取鎖當(dāng)前是否已由任何線程占用。 |
| IsHeldByCurrentThread | 獲取鎖是否已由當(dāng)前線程占用。 |
| IsThreadOwnerTrackingEnabled | 獲取是否已為此實(shí)例啟用了線程所有權(quán)跟蹤。 |
方法：
| 方法 | 說明 |
|---|---|
| Enter(Boolean) | 采用可靠的方式獲取鎖，這樣，即使在方法調(diào)用中發(fā)生異常的情況下，都能采用可靠的方式檢查 lockTaken 以確定是否已獲取鎖。 |
| Exit() | 釋放鎖。 |
| Exit(Boolean) | 釋放鎖。 |
| TryEnter(Boolean) | 嘗試采用可靠的方式獲取鎖，這樣，即使在方法調(diào)用中發(fā)生異常的情況下，都能采用可靠的方式檢查 lockTaken 以確定是否已獲取鎖。 |
| TryEnter(Int32, Boolean) | 嘗試采用可靠的方式獲取鎖，這樣，即使在方法調(diào)用中發(fā)生異常的情況下，都能采用可靠的方式檢查 lockTaken 以確定是否已獲取鎖。 |
| TryEnter(TimeSpan, Boolean) | 嘗試采用可靠的方式獲取鎖，這樣，即使在方法調(diào)用中發(fā)生異常的情況下，都能采用可靠的方式檢查 lockTaken 以確定是否已獲取鎖。 |
示例
SpinLock 的模板如下：
private static void DoWork()
{
SpinLock spinLock = new SpinLock();
bool isGetLock = false; // 是否已獲得了鎖
try
{
spinLock.Enter(ref isGetLock);
// 運(yùn)算
}
finally
{
if (isGetLock)
spinLock.Exit();
}
}這里就不寫場景示例了。
需要注意的是， SpinLock 實(shí)例不能共享，也不能重復(fù)使用。
等待性能對比
大佬的文章，.NET 中的多種鎖性能測試數(shù)據(jù)：http://kejser.org/synchronisation-in-net-part-3-spinlocks-and-interlocks/
這里我們簡單測試一下阻塞和自旋的性能測試對比。
我們經(jīng)常說，Thread.Sleep() 會發(fā)生上下文切換，出現(xiàn)比較大的性能損失。具體有多大呢？我們來測試一下。（以下運(yùn)算都是在 Debug 下測試）
測試 Thread.Sleep(1)：
private static void DoWork()
{
Stopwatch watch = new Stopwatch();
watch.Start();
for (int i = 0; i < 1_0000; i++)
{
Thread.Sleep(1);
}
watch.Stop();
Console.WriteLine(watch.ElapsedMilliseconds);
}筆者機(jī)器測試，結(jié)果大約 20018。Thread.Sleep(1) 減去等待的時間 10000 毫秒，那么進(jìn)行 10000 次上下文切換需要花費(fèi) 10000 毫秒，約每次 1 毫秒。
上面示例改成：
for (int i = 0; i < 1_0000; i++)
{
Thread.Sleep(2);
}運(yùn)算，發(fā)現(xiàn)結(jié)果為 30013，也說明了上下文切換，大約需要一毫秒。
改成 Thread.SpinWait(1000)：
for (int i = 0; i < 100_0000; i++)
{
Thread.SpinWait(1000);
}結(jié)果為 28876，說明自旋 1000 次，大約需要 0.03 毫秒。
到此這篇關(guān)于C#多線程系列之線程等待的文章就介紹到這了。希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。
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