.NET 同步与异步 之 警惕闭包（十）

本随笔续接：.NET 同步与异步 之 原子操作和自旋锁（Interlocked、SpinLock）（九）

至此、同步与异步 相关的常规操作（比较常见的操作）、差不多已经介绍完毕。 本随笔就着重说一下闭包、因闭包可能会导致一些意想不到的的bug。

（PS:至于 WaitHandle家族相关随笔、最后补充）

 

一、警惕闭包

            int total = 0;

            List<Task> taskList = new List<Task>();

            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                var task = Task.Run(() =>
                {
                    System.Threading.Interlocked.Add(ref total, i);
                });

                taskList.Add(task);
            }

            Task.WaitAll(taskList.ToArray());

            PrintInfo(total.ToString()); // 输出结果

这个demo逻辑很简单、在循环中异步累加循环变量i的值，当然所有异步操作完成后，输出累加结果。 1+2+3 ... + 9 结果应该是 45.

如果你看到这里没有什么问题、也没发现什么问题。那么你可能掉坑里了、这是并发中比较常见的一类问题、也是本随笔的要着重说明的一点：警惕闭包。

其实这里的输出结果是随机的、应该在 [45 ~ 100] 之间。 看到这里，如果你能想明白为什么，那么本篇随笔的一半内容已经明白了。

 

二、闭包的本质

从本质上说，闭包是一段可执行的代码块，但是这段代码块额外维护了一块上下文环境（内存），即使上下文环境中的某个局部变量、已经超出了其原本所在的代码块的作用域，闭包也依然可以对其进行访问。

        /// <summary>
        /// 窥探闭包的本质
        /// </summary>
        public void Demo2()
        {
            var func = GetFunc();

            PrintInfo($"result:{func().ToString()}"); // 输出结果 结果为 12
        }

        private Func<int> GetFunc()
        {
            int result = 10;

            Func<int> func = () =>
            {
                result++;

                return result;
            };

            result++;

            return func;
        }

在上面例子里的Demo中，局部变量result 的作用域是 GetFunc 方法，但是当 GetFunc 方法执行完毕后，在 Demo2 方法中 调用 匿名委托 Func<int> 时，依然可以访问  result 变量，这就是闭包。

 

三、一探究竟

让我们来借助IL来一探究竟、看看这个过程中究竟发生了什么、首先看一下 GetFunc 这个方法，顺带这个机会、较为深入的介绍一下IL：

.method private hidebysig instance class [mscorlib]System.Func`1<int32> 
        GetFunc() cil managed
{
  // 标示分配的堆栈的大小、在该方法执行过程中、堆栈中最多可同时存放3个数据项
  // 代码大小       50 (0x32)
  .maxstack  3
  // 声明该方法中需要的四个局部变量，形如： [索引] 类型 名称 
  // 索引为 0 的类型，是编译器自动生成的类型、该类型有两个成员、一个int result、一个 返回值为 int类型的方法，具体详情稍后再介绍。
  .locals init ([0] class ParallelDemo.Demo.VariableCapturingClass/'<>c__DisplayClass3_0' 'CS$<>8__locals0',
           [1] class [mscorlib]System.Func`1<int32> func,
           [2] int32 V_2,
           [3] class [mscorlib]System.Func`1<int32> V_3)
  // new 一个对象、其类型为编译器自动生成的类型、新 new出来的对象的引用 将被push到堆栈上
  IL_0000:  newobj     instance void ParallelDemo.Demo.VariableCapturingClass/'<>c__DisplayClass3_0'::.ctor()
  // POP堆栈, 并将POP出的数据赋值给 索引为0的局部变量。 此时堆栈中已经没有数据了
  IL_0005:  stloc.0
  // 无意义的操作
  IL_0006:  nop


  // 将索引为0的局部变量push到堆栈
  IL_0007:  ldloc.0
  // 将整形数字 10 push到堆栈
  IL_0008:  ldc.i4.s   10
  // POP 堆栈中的两个数据， 并将第二个数据赋值给 第一个数据（引用）的result字段。 此时堆栈中已经没有数据了 【完成了 result = 10 的赋值操作】
  IL_000a:  stfld      int32 ParallelDemo.Demo.VariableCapturingClass/'<>c__DisplayClass3_0'::result


  // 将索引为0的局部变量push到堆栈 
  IL_000f:  ldloc.0
  // 将其方法所对应的非托管代码指针 push到堆栈上
  IL_0010:  ldftn      instance int32 ParallelDemo.Demo.VariableCapturingClass/'<>c__DisplayClass3_0'::'<GetFunc>b__0'()
  // POP 构造函数所需要的两个参数、 并 new 一个 Func<int> 类型委托， 并将新对象引用push到堆栈
  IL_0016:  newobj     instance void class [mscorlib]System.Func`1<int32>::.ctor(object,
                                                                                 native int)
  // POP堆栈， 并将值赋值给索引为1的局部变量  此时堆栈中已经没有数据了 【完成了 new Func<int> 的操作】
  IL_001b:  stloc.1


  // 将索引为0的局部变量push到堆栈
  IL_001c:  ldloc.0
  // POP堆栈， 并将POP出的数据（引用）的result字段值 push到堆栈
  IL_001d:  ldfld      int32 ParallelDemo.Demo.VariableCapturingClass/'<>c__DisplayClass3_0'::result
  // POP堆栈,  并将POP出的数据赋值给 索引为 2的局部变量  此时堆栈中已经没有数据了 
  IL_0022:  stloc.2
  // 将索引为0的局部变量push到堆栈
  IL_0023:  ldloc.0
  // 将索引为2的局部变量push到堆栈
  IL_0024:  ldloc.2
  // 将 数字1push到堆栈
  IL_0025:  ldc.i4.1
  // POP两个数据 并求和， 并将结果push到堆栈
  IL_0026:  add
  // POP两个数据， 并将第二个数据的值赋值给 第一个数据（引用）的result字段 此时堆栈中已经没有数据了 【完成了 result++ 的操作】
  IL_0027:  stfld      int32 ParallelDemo.Demo.VariableCapturingClass/'<>c__DisplayClass3_0'::result


  // 将索引为1的局部变量push到堆栈
  IL_002c:  ldloc.1
  // POP堆栈， 并将POP出的数据赋值给 索引为3的局部变量 此时堆栈数据为空 【完成返回值的准备工具】
  IL_002d:  stloc.3

  // 跳转代码至 IL_0030
  IL_002e:  br.s       IL_0030
  // push索引为3的局部变量到堆栈
  IL_0030:  ldloc.3
  // 返回 return
  IL_0031:  ret
} // end of method VariableCapturingClass::GetFunc

 

 

看完上面的IL的代码解释，你可能唯一不太明白的就是 编译器自动生成的类型，那接下来，我们将看一看 这个自动生成的类型，到底是什么东西：

根据上图，我们可以确定：

1、新生成的类型是一个class

2、含有 result字段 ，类型为int32.

3、含有一个 <GetFunc>b__0的方法， 返回值 为 int32类型

让我们在看看 <GetFunc>b__0 这个方法的IL代码：

.method assembly hidebysig instance int32 
        '<GetFunc>b__0'() cil managed
{
  // 代码大小       28 (0x1c)
  .maxstack  3
  .locals init ([0] int32 V_0,
           [1] int32 V_1)
  IL_0000:  nop
  // push this引用到堆栈
  IL_0001:  ldarg.0
  // POP堆栈， 并将 POP出的数据（引用）的result字段值 push到堆栈    其他IL代码就不一一解释了， 因为前文都已经介绍过了。
  IL_0002:  ldfld      int32 ParallelDemo.Demo.VariableCapturingClass/'<>c__DisplayClass3_0'::result
  IL_0007:  stloc.0
  IL_0008:  ldarg.0
  IL_0009:  ldloc.0
  IL_000a:  ldc.i4.1
  IL_000b:  add
  IL_000c:  stfld      int32 ParallelDemo.Demo.VariableCapturingClass/'<>c__DisplayClass3_0'::result
  IL_0011:  ldarg.0
  IL_0012:  ldfld      int32 ParallelDemo.Demo.VariableCapturingClass/'<>c__DisplayClass3_0'::result
  IL_0017:  stloc.1
  IL_0018:  br.s       IL_001a
  IL_001a:  ldloc.1
  IL_001b:  ret
} // end of method '<>c__DisplayClass3_0'::'<GetFunc>b__0'

 

看完IL代码，你会发现 <GetFunc>b__0 这个方法实际就是匿名委托Func<int> 所指向的方法。 而 闭包所维护的上下文环境 其实就是 result 字段。

 

四、回顾

最后、我们再回头看一下第一个Demo：警惕闭包。

在这个demo中、循环变量 i 是闭包中的上下文环境之一（total也是），由于累加是在Task任务中进行的，Task任务什么时候被执行是由调度器和线程池两个因素决定的，并且task任务被执行的时间点往往会略有延迟，因此 循环变量 i的值 会被累加的过大，因此结果会偏大，所以结果是一个随机数 [45 ~ 100] .

 

 

随笔暂告一段落、下一篇随笔:  线程安全的集合（预计1篇随笔）

附，Demo : https://files.cnblogs.com/files/08shiyan/ParallelDemo.zip

参见更多：随笔导读：同步与异步

(未完待续...)