爱进入，更爱自旋，乱谈Monitor.Enter究竟自旋了麽？（一）

写下标题，突然发觉有点淫荡了，把旋改成慰，一字之差，效果全然不同，性质也千差万别.淫者见淫，仁者未必仁。本文写作的初衷是探讨lock或者Monitor.Enter的实现是否用到了自旋，也即所谓的spinning。因为网上众多的意见和看法都是lock是C#/NET中关于线程同步的一种轻量级实现，类似于Windows临界区CriticalSection。那麽究竟有多像，像在哪里？由此也激发了一个偷窥者的那一点小小的兴趣。

我们首先来看看CriticalSection的概念与用法，本文在概念这一方面较大量地引用了valdok在CodeProject上的一文Fast critical sections with timeout，作者在这篇文章里实现了一个性能更好的CriticalSection,文中对spin和CriticalSection的分析非常到位，有兴趣的读者请自行前往阅读。

 

MSDN关于CriticalSection的部分描述如下，要注意着色部分：

A critical section object provides synchronization similar to that provided by a mutex object, except that a critical section can be used only by the threads of a single process. Event, mutex, and semaphore objects can also be used in a single-process application, but critical section objects provide a slightly faster, more efficient mechanism for mutual-exclusion synchronization (a processor-specific test and set instruction). Like a mutex object, a critical section object can be owned by only one thread at a time, which makes it useful for protecting a shared resource from simultaneous access. Unlike a mutex object, there is no way to tell whether a critical section has been abandoned.

从这一段我们得出一个结论临界区使用的线程同步技术和Mutex等不同，Mutex和Event多借助于WaitForSingleObject或WaitForXXXXObject(s)等待内核对象状态，涉及到内核态与用户态的切换，而临界区使用的技术是more efficient mechanism，是a processor-specific test and set instruction，是基于处理器命令的，其实这个技术的实现就是自旋。

再看valdok对临界区的一段描述，稍加修改翻译：

Minding all the above, we introduce critical sections. It's a hybrid. When you attempt to lock it (call EnterCriticalSection，调用EnterCriticalSection试图获得锁), the idea is to perform the following steps:

1. Check if this thread already owns the critical section. If it does, the lock/unlock is omitted (skip the rest). 先检查当前线程是否已经拥有临界区的锁。
2. Attempt to lock a dedicated variable via the interlocked instruction (similar to what we've done). If the lock succeeds, return (skip the rest). 通过处理器interlocked命令尝试锁住一个变量，如果成功则意味获得锁并返回。
3. Optionally, retry the second step a number of times. This can be enabled by calling InitializeCriticalSectionAndSpinCount instead of InitializeCriticalSection. This step is always skipped on single-processor machines. 调用InitializeCriticalSectionAndSpinCount 来初始化临界区的自旋次数。只在多处理器计算机上有效。
4. After we've tried all of the above, call a kernel-mode WaitXXXX function.如果上述步骤皆试过且依旧没有获得锁，则调用WaitXXXX进入内核态等待.

valdok在文中给了我们一段自旋的实现代码：

while (InterlockedCompareExchange(&nLockCount, 1, 0));

InterlockedCompareExchange是Interlocked函数家族的一员，凡冠以此前缀的函数都在处理器级别实现了对变量的操作同步（即使是多处理器情况下也如此，Interlocked会通过总线向其它处理器发送命令，告诉它们此时此刻只有我才能动），InterlockedCompareExchange函数会判断第一个参数与第三个参数是否相等，如果相等则将第二个参数复制给第一个参数，并返回原始值（这里就是0），调用InterlockedCompareExchange意味着只有第一次才生效，之后的调用都不会对nLockCount修改，返回值都是1，所以现在假设有两个线程同一时间分别执行这段代码，那麽将会只有一个线程退出while循环并继续下面的操作，即获得了临界区的锁，而另外一个线程则会无限循环，因为它那里InterlockedCompareExchange永远返回1==TRUE。这就是一个自旋的实现。不过这样的自旋如果没有退出循环的条件则意味着无限自旋和等待，所以真正的临界区肯定会有退出的条件，使用InitializeCriticalSectionAndSpinCount 初始化一个自旋次数就是一个条件，如果达到自旋次数且依旧没有获得锁，则直接WaitXXXX进入内核态。这时候我们再来看看valdok提供的一个类似EnterCriticalSection的代码实现就容易理解多了：

// Attempt spin-lock
for (DWORD dwSpin = 0; dwSpin < m_dwSpinMax; dwSpin++)
{
    if (PerfLockImmediate(dwThreadID))
        return true;

    YieldProcessor();
}

// Ensure we have the kernel event created
AllocateKernelSemaphore();

bool bVal = PerfLockKernel(dwThreadID, dwTimeout);
WaiterMinus();

return bVal;

 

PerfLockImmediate的代码：

inline bool PerfLockImmediate(DWORD dwThreadID)
{
    return !_InterlockedCompareExchange((long*) &m_nLocker, dwThreadID, 0);
}

PerfLockKernel的部分代码：

switch (WaitForSingleObject(m_hSemaphore, dwWait))
        {
        case WAIT_OBJECT_0:
            bWaiter = false;
            break;
        case WAIT_TIMEOUT:
            bWaiter = true;
            break;
        default:
            TestSys(TRUE);
        }

 

这里插一句，究竟Interlocked为啥比WaitXXXX性能好？差距是多大？valdok说：

Interlocked operations cost us from tens to hundreds of processor cycles, whereas every kernel-mode call, including WaitForSingleObject and ReleaseMutex, for example, cost thousands of cycles, so that on multi-processor systems for short-time locking - spinning may be a preferred way to go.

 

现在，我们搞清楚了自旋的概念，是时候来瞧瞧Monitor.Enter和EnterCriticalSection是胞胎呢还仅仅是慕名模仿者呢？等会我们再弄，先吃饭去。