【C# 锁】SpinWait结构 -同步基元|同步原语

锁提供了线程安全三要素中的 有序性。二、SpinWait是同步锁的核心，而Thread是SpinWait的核心。

Spinwait结构

完成代码：SpinWait.cs (dot.net)

SpinWait结构的核心代码

internal const int YieldThreshold = 10; // When to switch over to a true yield.
private const int Sleep0EveryHowManyYields = 5; // After how many yields should we Sleep(0)?
internal const int DefaultSleep1Threshold = 20; // After how many yields should we Sleep(1) frequently?

private void SpinOnceCore(int sleep1Threshold)
        {
          if ((
                    _count >= YieldThreshold &&
                    ((_count >= sleep1Threshold && sleep1Threshold >= 0) || (_count - YieldThreshold) % 2 == 0)
                ) ||
                Environment.IsSingleProcessor)
            {
       
 
                if (_count >= sleep1Threshold && sleep1Threshold >= 0)
                {
                    Thread.Sleep(1);
                }
                else
                {
                    int yieldsSoFar = _count >= YieldThreshold ? (_count - YieldThreshold) / 2 : _count;
                    if ((yieldsSoFar % Sleep0EveryHowManyYields) == (Sleep0EveryHowManyYields - 1))
                    {
                        Thread.Sleep(0);
                    }
                    else
                    {
                        Thread.Yield();
                    }
                }
            }
            else
            {
              //线程获取一个每次自旋迭代的最佳最大自旋等待
                int n = Thread.OptimalMaxSpinWaitsPerSpinIteration;
                if (_count <= 30 && (1 << _count) < n)
                {
                    n = 1 << _count;//1向左移动_count位 .
                }
                Thread.SpinWait(n);
            }
 
            // Finally, increment our spin counter.
            _count = (_count == int.MaxValue ? YieldThreshold : _count + 1);
        }

 

原理：SpinWait结构就是对Thread.SpinWait方法的一个简单包装，一个循环次数的策略的。

SpinOnce() 执行次数超过10次之后，每次进行自旋便会触发Thread.Yield()上下文切换的操作，在这之后每5次会进行一次sleep(0)操作，每20次会进行一次sleep(1)操作。SpinOnce()执行一次是大概7个时钟周期。第一自旋例外，第一次的时候比较耗时。

SpinOnce(int32 num) 表示执行num次后进入sleep(1); 

Thread.Sleep(0) 表示让优先级高的线程插队，如果没有线程优先级更高线程插队，那么就继续执行。
Thread.Yield() 让有需要的线程先执行，忽略线程优先级（低级别的线程也可以在core运行），而该线程进入就绪队列。

SpinWait 内部用的是Thread.SpinWait(),Thread.SpinWait()调用外部函数（private static extern void SpinWaitInternal(int iterations);）现实自旋。

 Thread.SpinWait()的注解

Thread.SpinWait本质上是将处理器放入一个非常紧凑的循环中，循环计数由迭代参数指定。因此，等待的时间长短取决于处理器的速度。说白了SpinWait就是一个for循环，我们只要输入一个数字就行。总的循环的时间由处理器的处理速度决定。
SpinWait对于普通应用程序通常不是很有用。在大多数情况下，应该使用.net框架提供的同步类

在极少数情况下，避免使用上下文切换很有用，例如，当你知道状态更改即将发生时，请 SpinWait 在循环中调用方法。 执行的代码 SpinWait 旨在防止具有多个处理器的计算机上出现的问题。 例如，在具有多个采用 Hyper-Threading 技术的 Intel 处理器的计算机上， SpinWait 在某些情况下防止处理器不足。

 

属性

count 表示第几次执行SpinWait

isNextSpinWillYield ：thread.SpinWait执行超过10次，开始yield模式
源代码：

    public bool NextSpinWillYield
    {
        get
        {
            if (_count < 10)
            {
                return Environment.IsSingleProcessor;
            }
            return true;
        }
    }

方法

Reset（）；将count设置未0。

SpinUntil(Func<Boolean>)     在指定条件得到满足之前自旋。内部使用的是 while (!condition()) {spinWait.SpinOnce() 其他代码}
SpinUntil(Func<Boolean>, Int32)     在指定条件得到满足或指定超时过期之前自旋。内部使用的是spinWait.SpinOnce()
SpinUntil(Func<Boolean>, TimeSpan)     在指定条件得到满足或指定超时过期之前自旋。内部使用的是spinWait.SpinOnce()

SpinOnce(int32 num) 中 num 表示执行num次SpinOnce()操作后进入sleep(1);

SpinOnce()\SpinOnce(int32 num):

默认执行20次SpinOnce()操作后进入 sleep(1)。执行SpinOnce()在次数超过10之后，每次进行便会触发Thread.Yield()上下文切换的操作，在这之后每5次会进行一次sleep(0)操作，每20次会进行一次sleep(1)操作。

SpinOnce()和SpinOnce(int32 num)方法前10次调用的是Thread.SpinWait()方法;

前10次 源代码

int n = Thread.OptimalMaxSpinWaitsPerSpinIteration;//大概10以内，可以通过vs2022 调试源代码查看该变量。
                if (_count <= 30 && (1 << _count) < n)
                {
                    n = 1 << _count;//1向左位移_count
                }
                Thread.SpinWait(n);//是一个循环、n是循环的次数

那么在 10 次调用之后呢？

10 次之后 SpinOnce 就不再进行 Spin 操作了，它根据情况选择进入不同的 Yield 流程。

 

使用场合：

1、只能在进程内的线程使用。

因为他是轻量级锁。轻量级线程同步方案因为没有使用到 Win32 内核对象，而是在 .NET 内部完成，所以只能进行线程之间的同步，不能进行跨进程同步。如果要完成跨进程的同步，需要使用 Monitor、Mutex 这样的方案。

2、适合在非常轻量的计算中使用。

它与普通 lock 的区别在于普通 lock 使用 Win32 内核态对象来实现等待

 使用要点：

1、如果等待某个条件满足需要的时间很短（几毫秒），而且不希望发生昂贵的上下文切换，那么基于自旋的等待是一种很好的替换方案，SpinWait不仅提供了基本自旋功能，而且还提供了SpinWait.SpinUntil方法，使用这个方法能够自旋直到满足某个条件为止
2、SpinWait 是一种值类型，从内存的角度上说，开销很小。，这意味着低级别代码可以利用 SpinWait 而不用担心不必要的分配开销。
3、SpinWait 并不广泛适用于普通应用程序。 在大多数情况下，应使用 .NET Framework 提供的同步类，如  Monitor。 在需要旋转等待的大多数情况下，SpinWait 结构应该优于  Thread.SpinWait() 方法。
4、SpinWait 也会生成时间片，以防等待线程阻止优先级较高的线程或垃圾回收器。就是说旋转一定次数后会让出一下cpu，有sleep、yiled的动作。
需要注意的是：长时间的自旋不是很好的做法，因为自旋会阻塞更高级的线程及其相关的任务，还会阻塞垃圾回收机制。
5、SpinWait 提供每次调用 SpinOnce 前都可以检查的 NextSpinWillYield 属性。如果此属性返回 true，启动自己的等待操作。
6、SpinWait并没有设计为让多个任务或线程并发使用，因此多个任务或线程通过SpinWait方法进行自旋，那么每一个任务或线程都应该使用自己的SpinWait实例。
7、适合与底层代码库，不适合日常使用。

使用案例：

using System.Diagnostics;
using System.Reflection;

class Program
{

    static SpinLock sl = new();
    static void Main(string[] args)
    {

        
      
        Stopwatch stopwatch = new ();
        SpinWait sw = new();
  //每次自旋的时间
        for (int i = 0; i <40; i++)
        {
          
          //  sw.Reset();// SpinWait内部是 采用count 累计计数的，所以每次使用都要清零
            stopwatch.Reset();
            stopwatch.Start();
           
            sw.SpinOnce(31);
           
            stopwatch.Stop();
            
            Console.WriteLine(stopwatch.ElapsedTicks+sw.NextSpinWillYield.ToString()+"count:"+sw.Count);
        }


    }
}

SpinOnce()执行一次是大概7个时钟周期。第一例外，第一次的时候比较耗时。

 案例一、下面的基本示例展示了无锁堆栈中的 SpinWait。 如果需要高性能的线程安全堆栈，请考虑使用 System.Collections.Concurrent.ConcurrentStack<T>。

详解：启用3个线程给自定义堆栈LockFreeStack<T>的 字段reeStac 添加数据（0-20）。用到cas 技术保证了线程的同步

LockFreeStack<int> reeStac = new();

for (int i = 1; i <=3; i++)
{
    Thread se = new Thread(test);
    se.Start();
}

    void test(){


    for (int i = 0; i < 20; i++)
    {
        reeStac.Push(i);

    }

}


public class LockFreeStack<T>
{
    private volatile Node m_head;

    private class Node { public Node Next; public T Value; }

    public void Push(T item)
    {
        var spin = new SpinWait();
        Node node = new Node { Value = item }, head ;
        while (true)
        {
          
            head = m_head;
            node.Next = head;
            Console.WriteLine("Processor:{0},Thread{1},priority:{2} count：{3} ", Thread.GetCurrentProcessorId(), Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, Thread.CurrentThread.Priority,item );
            Node dd = Interlocked.CompareExchange(ref m_head, node, head);//如果相等 就把node赋值给m_head,返回值都是原来的m_head。
            if (dd == head) break;//判断是否赋值成功。成功就跳出死循环。
            spin.SpinOnce();
            Console.WriteLine("Processor:{0},Thread{1},priority:{2}  spin.SpinOnce()", Thread.GetCurrentProcessorId(), Thread.CurrentThread.ManagedThreadId, Thread.CurrentThread.Priority);
        }
    }

    public bool TryPop(out T result)
    {
        result = default(T);
        var spin = new SpinWait();

        Node head;
        while (true)
        {
           
            head = m_head;
            if (head == null) return false;
            if (Interlocked.CompareExchange(ref m_head, head.Next, head) == head)
            {
                result = head.Value;
                return true;
            }
            spin.SpinOnce();  //这边使用了spinwait 结构
        }
    }
}

 

 

案例 ：用 Thread.SpinWait 模仿SpinWait.Once()的前10次。

using System.Diagnostics;
using System.Reflection;

class Program
{

    static SpinLock sl = new();
    static void Main(string[] args)
    {

        Type type = typeof(Thread);
        BindingFlags flag =     BindingFlags.Instance | BindingFlags.NonPublic;
     MemberInfo[] inof = type.GetMember("OptimalMaxSpinWaitsPerSpinIteration", BindingFlags.NonPublic);
      
        
        Stopwatch stopwatch = new ();
        SpinWait sw = new();
 
        for (int i = 0; i < 20; i++)
        {
            int ss = 1 << i;
        
            stopwatch.Reset();
            stopwatch.Start();
          
            Thread.SpinWait(ss);
            stopwatch.Stop();
            
            Console.WriteLine(stopwatch.ElapsedTicks+sw.NextSpinWillYield.ToString()+"count:"+ ss);
        }


    }
}