C#多線程系列之線程等待

第C#多線程系列之線程等待目錄前言volatile關(guān)鍵字三種常用等待再說自旋和阻塞SpinWait結(jié)構(gòu)屬性和方法自旋示例新的實現(xiàn)SpinLock結(jié)構(gòu)屬性和方法示例等待性能對比

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：

staticvoidMain(string[]args)

for(inti=0;ii++)

newThread(AddOne).Start();

Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(5));

Console.WriteLine("sum="+sum);

Console.ReadKey();

privatestaticintsum=0;

publicstaticvoidAddOne()

for(inti=0;i100_0000;i++)

sum+=1;

}

運行后你會發(fā)現(xiàn)，結(jié)果不為500_0000，而使用Interlocked.Increment(refsum);后，可以獲得準確可靠的結(jié)果。

你試試再運行下面的示例：

staticvoidMain(string[]args)

for(inti=0;ii++)

newThread(AddOne).Start();

Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(5));

Console.WriteLine("sum="+sum);

Console.ReadKey();

privatestaticvolatileintsum=0;

publicstaticvoidAddOne()

for(inti=0;i100_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。

詳情請點擊：/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/keywords/volatile

其原理解釋：/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，等待過程中會進行一些的運算，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，最后再進行總結(jié)對照。

再說自旋和阻塞

前面我們學習過自旋和阻塞的區(qū)別，這里再來擼清楚一下。

線程等待有內(nèi)核模式(KernelMode)和用戶模式(UserModel)。

因為只有操作系統(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)行一些無意義的運算，實現(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()是怎么實現(xiàn)的，可以參考/233735-how-is-thread-spinwait-actually-implemented

線程阻塞是會耗費上下文切換的，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)強制上下文切換。

方法：

方法說明Reset()重置自旋計數(shù)器。SpinOnce()執(zhí)行單一自旋。SpinOnce(Int32)執(zhí)行單一自旋，并在達到最小旋轉(zhuǎn)計數(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

下面來實現(xiàn)一個讓當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進行+1，當新的線程完成運算后，主線程才能繼續(xù)運行。

classProgram

staticvoidMain(string[]args)

newThread(DoWork).Start();

//等待上面的線程完成工作

MySleep();

Console.WriteLine("sum="+sum);

Console.ReadKey();

privatestaticintsum=0;

privatestaticvoidDoWork()

for(inti=0;i1000_0000;i++)

sum++;

isCompleted=true;

//自定義等待等待

privatestaticboolisCompleted=false;

privatestaticvoidMySleep()

inti=0;

while(!isCompleted)

i++;

}

新的實現(xiàn)

我們改進上面的示例，修改MySleep方法，改成：

privatestaticboolisCompleted=false;

privatestaticvoidMySleep()

SpinWaitwait=newSpinWait();

while(!isCompleted)

wait.SpinOnce();

}

或者改成

privatestaticboolisCompleted=false;

privatestaticvoidMySleep()

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/UploadFile/1d42da/spinlock-class-in-threading-C-Sharp/

另外，還記得Monitor嘛？SpinLock跟Monitor比較像噢~/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獲取鎖當前是否已由任何線程占用。IsHeldByCurrentThread獲取鎖是否已由當前線程占用。IsThreadOwnerTrackingEnabled獲取是否已為此實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：

privatestaticvoidDoWork()

SpinLockspinLock=newSpinLock();

boolisGetLock=false;//是否已獲得了鎖

spinLock.Enter(refisGetLock);

//運算

finally

if(isGetLock)

spinLock.Exit();

}

這里就不寫場景示例了。

需要注意的是，SpinLock實例不能共享，也不能重復使用。

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)：/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。（以下運算都是在Debug下測試）

測試Thread.Sleep(1)：

privatestaticvoidDoWork()

Stopwatchwatch=newStopwatch();

watch.Start();

for(inti=0;i1_0000;i++)

Thread.Sleep(1);

watch.Stop();

Console.WriteLine(watch.ElapsedMilliseconds);

}

筆者機器測試，結(jié)果大約20018。Thread.Sleep(1)減去等待的時間10000毫秒，那么進行10000次上下文切換需要花費10000毫秒，約每次1毫秒。

上面示例改成：

for(inti=0;i1_000