.NET：通过 CAS 来理解数据库乐观并发控制，顺便给出无锁的 RingBuffer。

背景

大多数企业开发人员都理解数据库乐观并发控制，不过很少有人听说过 CAS（我去年才听说这个概念），CAS 是多线程乐观并发控制策略的一种，一些无锁的支持并发的数据结构都会使用到 CAS，本文对比 CAS 和 数据库乐观并发控制，以此达到强化记忆的目的。

CAS

CAS = Compare And Swap

多线程环境下 this.i = this.i + 1 是没有办法保证线程安全的，因此就有了 CAS，CAS 可以保证上面代码的线程安全性，但是 CAS 并不会保证 Swap 的成功，只有 Compare 成功了才会 Swap，即：没有并发发生，即：在我读取和修改之间没有别人修改。另外说一点，如果 i 是局部变量，即：i = i + 1，那么这段代码是线程安全的，因为局部变量是线程独享的。

不明白 CAS 没关系，下面通过 CAS 的标准模式 和 一个简单的示例来理解 CAS。

CAS 的标准模式

伪代码

 1                     var localValue, currentValue;
 2                     do
 3                     {
 4                         localValue = this.
 5 
 6                         var newValue = 执行一些计算;
 7 
 8                         currentValue = Interlocked.CompareExchange(ref this.value, newValue, localValue);
 9                     } while (localValue != currentValue);

说明

把 this.value 看成是数据库数据，localValue 是某个用户读取的数据，newValue是用户想修改的值，这里有必要解释一下 CompareExchange 和 currentValue，它的内部实现代码是这样的（想想下面代码是线程安全的）：

1 var currentValue = this.value
2 if(currentValue == localValue){
3    this.value = newValue;
4 }
5 return currentValue;

CompareExchange  用 sql 来类比就是：update xxx set value = newValue where value = localValue，只不过返回的值不同。通过 CompareExchange 的返回结果我们知道 CAS 是否成功了，即：是否出现并发了，即：是否在我读取和修改之间别人已经修改过了，如果是，可以选择重试。

累加示例

CAS 代码

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using System.Threading;

namespace InterlockStudy
{
    class ConcurrentIncrease
    {
        public static void Test()
        {
            var sum = 0;

            var tasks = new Task[10];
            for (var i = 1; i <= 10; i++)
            {
                tasks[i - 1] = Task.Factory.StartNew((state) =>
                {
                    int localSum, currentSum;
                    do
                    {
                        localSum = sum;

                        Thread.Sleep(10);
                        var value = (int)state;
                        var newValue = localSum + value;

                        currentSum = Interlocked.CompareExchange(ref sum, newValue, localSum);
                    } while (localSum != currentSum);
                }, i);
            }

            Task.WaitAll(tasks);

            Console.WriteLine(sum);
        }
    }
}

数据库并发代码

        public static void Test13()
        {
            var tasks = new Task[10];
            for (var i = 1; i <= 10; i++)
            {
                tasks[i - 1] = Task.Factory.StartNew((state) =>
                {
                    int localSum, result;
                    do
                    {
                        using (var con = new SqlConnection(CONNECTION_STRING))
                        {
                            con.Open();
                            var cmd = new SqlCommand("select sum from Tests where Id = 1", con);
                            var reader = cmd.ExecuteReader();
                            reader.Read();
                            localSum = reader.GetInt32(0);

                            System.Threading.Thread.Sleep(10);
                            var value = (int)state;
                            var newValue = localSum + value;

                            cmd = new SqlCommand("update Tests set sum = " + newValue + " where sum = " + localSum + "", con);
                            result = cmd.ExecuteNonQuery();
                        }
                    } while (result == 0);
                }, i);
            }

            Task.WaitAll(tasks);
        }
    }

说明

我们发现 CAS 版本的代码和数据库版本的代码出奇的相似，数据库的CAS操作是通过 update + where 来完成的。

写着玩的 RingBuffer

代码

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Collections.Concurrent;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using System.Threading;

namespace InterlockStudy
{
    internal class Node<T>
    {
        public T Data { get; set; }

        public bool HasValue { get; set; }
    }

    class RingBuffer<T>
    {
        private readonly Node<T>[] _nodes;
        private long _tailIndex = -1;
        private long _headIndex = -1;
        private AutoResetEvent _readEvent = new AutoResetEvent(false);
        private AutoResetEvent _writeEvent = new AutoResetEvent(false);

        public RingBuffer(int maxSize)
        {
            _nodes = new Node<T>[maxSize];

            for (var i = 0; i < maxSize; i++)
            {
                _nodes[i] = new Node<T>();
            }
        }

        public void EnQueue(T data)
        {
            while (true)
            {
                if (this.TryEnQueue(data))
                {
                    _readEvent.Set();
                    return;
                }

                _writeEvent.WaitOne();
            }

        }

        public T DeQueue()
        {
            while (true)
            {
                T data;
                if (this.TryDeQueue(out data))
                {
                    _writeEvent.Set();
                    return data;
                }

                _readEvent.WaitOne();
            }

        }

        public bool TryEnQueue(T data)
        {
            long localTailIndex, newTailIndex, currentTailIndex;
            do
            {
                localTailIndex = _tailIndex;

                if (!this.CanWrite(localTailIndex))
                {
                    return false;
                }

                newTailIndex = localTailIndex + 1;

                if (_nodes[newTailIndex % _nodes.Length].HasValue)
                {
                    return false;
                }

                currentTailIndex = Interlocked.CompareExchange(ref _tailIndex, newTailIndex, localTailIndex);
            }
            while (localTailIndex != currentTailIndex);

            _nodes[newTailIndex % _nodes.Length].Data = data;
            _nodes[newTailIndex % _nodes.Length].HasValue = true;

            return true;
        }

        public bool TryDeQueue(out T data)
        {
            long localHeadIndex, newHeadIndex, currentHeadIndex;
            do
            {
                localHeadIndex = _headIndex;

                if (!this.CanRead(localHeadIndex))
                {
                    data = default(T);
                    return false;
                }

                newHeadIndex = localHeadIndex + 1;
                if (_nodes[newHeadIndex % _nodes.Length].HasValue == false)
                {
                    data = default(T);
                    return false;
                }

                currentHeadIndex = Interlocked.CompareExchange(ref _headIndex, newHeadIndex, localHeadIndex);
            }
            while (localHeadIndex != currentHeadIndex);

            data = _nodes[newHeadIndex % _nodes.Length].Data;
            _nodes[newHeadIndex % _nodes.Length].HasValue = false;

            return true;
        }

        private bool CanWrite(long localTailIndex)
        {
            return localTailIndex - _headIndex < _nodes.Length;
        }

        private bool CanRead(long localHeadIndex)
        {
            return _tailIndex - localHeadIndex > 0;
        }
    }
}

备注

仓促成文，如果有必要可以再写篇文章，希望大家多批评。