C#多线程编程（7）--锁
一提到线程同步，就会提到锁，作为线程同步的手段之一，锁总是饱受质疑。一方面锁的使用很简单，只要在代码不想被重入的地方（多个线程同时执行的地方）加上锁，就可以保证无论何时，该段代码最多有一个线程在执行；另一方面，锁又不像它看起来那样简单，锁会造成很多问题：性能下降、死锁等。使用volatile关键字或者Interlocked中提供的方法能够避开锁的使用，但是这些原子操作的方法功能有限，很多操作实现起来很麻烦，如无序的线程安全集合。我在本系列的序中已经介绍了锁的总类，自旋锁、内核锁（内核构造）、混合锁，他们各有优缺点，下面就来一一介绍。
- 自旋锁
我在 C#多线程编程（6） 中已经介绍了简单的利用Interlocked实现的自旋锁，这种锁的优点是单线程时非常快，但是在竟态时会造成等待的线程“自旋”--无限while循环，在循环中只是在不断的尝试获得锁，其他什么也不做。如果获得锁的线程执行的非常快，那么等待的线程在那自旋一会是值得的，因为当锁被释放时，自旋的线程能够立马获得锁。但是当获得锁的线程执行的时间很长，等待线程的自旋就毫无意义了。设想这样一个场景，A线程获得了锁，B和C线程想要获得锁，发现锁已被其他线程获得，就会开始自旋，并且A线程迟迟不肯交出锁，这相当于一个锁占用了3个线程，这是多么大的浪费！
- 内核锁（在C#多线程编程序中，我曾把内核锁叫成了信号量，是错误，现已更正。《CLR via C#》中叫内核构造）
其实准确的说，内核锁是内核维护的变量，《CLR via C#》中叫内核构造，更准确一些，但是我感觉内核构造这个名字太奇怪了，还是内核锁好理解一些。内核锁是一组继承了WaitHandle基类的一组类
public abstract class WaitHandle : MarshalByRefObject, IDisposable{ public virtual IntPtr Handle { get; set; } public SafeWaitHandle SafeWaitHandle { get; set; } public void Dispose(); public static bool SignalAndWait(WaitHandle toSignal, WaitHandle toWaitOn); public static bool WaitAll(WaitHandle[] waitHandles); public static int WaitAny(WaitHandle[] waitHandles); public virtual bool WaitOne(); }
我只列出了基本的方法，重载的版本没有列出。每构造一个内核锁，都是调用windows方法创建一个内核变量保存在SafeWaitHandle属性中。这是个抽象类，所有的内核锁都继承于此。简单介绍下上面列出的几个方法。
- WaitOne方法：等待内核对象收到信号，如果收到，就返回true，如果超时就返回false.
- WaitAll方法：等待waitHandles数组中任何一个内核变量的信号，返回的int值为waitHandles的元素索引，如果超时，则返回WaitHandle.WaitTimeout。
- WaitAny方法：等待waitHandles全部返回信号。WaitAll和WaitAny接受的WaitHandle数组的最大数量为64，超过64会抛出NotSupportedException。
- Dispose方法：释放底层内核对象。不建议使用，留给GC自己处理何时释放内核对象为好。
下面介绍几个从WaitHandle派生的类：AutoResetEvent、Semaphore、Mutex。
- AutoResetEvent
AutoResetEvent是内核维护的一个bool型变量，当锁为自由状态时，值为true，调用WaitOne方法，值变为false（相当于获得锁）。在调用Set()方法后（相当于释放锁）值恢复为true，并唤醒一个等待的线程。，我们来看一个利用AutoResetEvent来重写 C#多线程编程（6） 中的SimpleSpinLock类，新类的名字为SimpleWaitLock。
class SimpleWaitLock : IDisposable{ private AutoResetEvent _lockState = new AutoResetEvent(true); public void Enter() { _lockState.WaitOne(); } public void Leave() { _lockState.Set(); } public void Dispose() { _lockState.Dispose(); } }
可以看到锁和SimpleSpinLock非常像，但是这两个锁的性能截然不同。我前面说过，自旋锁在串行下效率非常高，但是内核锁在访问内核变量并判断是否可以获得锁时，要先从托管代码切换到内核代码，获得值后，在切换回托管代码，这些消耗无论是否竟态都要花费。但是在竟态时，自旋锁会白白浪费CPU，而内核锁会阻塞等待的线程，而不会自旋而浪费CPU。
用一个例子来对比下在串行下两个锁的性能差距。
static void Main(string[] args){ int x = 0; int count = 10000000; Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew(); for (int i = 0; i < count; i++){ x++; } Console.WriteLine("NoMethod: {0} ms", sw.ElapsedMilliseconds); sw = Stopwatch.StartNew(); for (int i = 0; i < count; i++){ VoidMothed(); x++; VoidMothed(); } Console.WriteLine("VoidMethod:{0} ms", sw.ElapsedMilliseconds); SpinLock spinLock = new SpinLock(false); sw = Stopwatch.StartNew(); for (int i = 0; i < count; i++){ bool taken = false; spinLock.Enter(ref taken); x++; spinLock.Exit(); } Console.WriteLine("SpinLock:{0} ms", sw.ElapsedMilliseconds); using (SimpleWaitLock simpleWaitLock = new SimpleWaitLock()){ sw = Stopwatch.StartNew(); for (int i = 0; i < count; i++){ simpleWaitLock.Enter(); x++; simpleWaitLock.Leave(); } Console.WriteLine("WaitLock: {0} ms", sw.ElapsedMilliseconds); } Console.ReadLine(); }
运行结果：
NoMethod: 22 ms
VoidMethod:56 ms
SpinLock:216 ms
WaitLock: 11683 ms
执行一千万次的x++只需要22ms，带一个空方法VoidMethod的是56ms，spinlock是216ms，而内核锁执行了11683ms，是spinlock的54倍（11683/216），而比NoMethod慢了531倍（11683/22），确实直接访问内核锁要慢很多，因此能避免使用内核锁就要避免。
- Semaphore
信号量（Semaphore）就是内核维护的一个int型变量，其用法和AutoResetEvent类似。Release(int)方法支持同时释放多个阻塞的线程。与AutoResetEvent相比，AutoResetEvent.Set方法调用多次，只有一个线程接触阻塞，但是Release()会一直解除其他线程的阻塞，直到所有线程全部解除等待。若将所有等待的线程全部解除阻塞后，继续调用Release方法，会抛出一个SemaphoreFullException异常。
public sealed class Semaphore:WaitHandle{ public Semaphore(int initialCount, int maximumCount); public int Release()//调用Release(1);释放1个线程的等待（阻塞） public int Release(int releaseCount);//释放releaseCount个的线程的等待 }
可以用信号量来重新实现SimpleWaitLock:
class SimpleWaitLock : IDisposable{ private readonly Semaphore _lockState; public SimpleWaitLock(int maxCount) { _lockState = new Semaphore(maxCount, maxCount); } public void Enter() { _lockState.WaitOne(); } public void Leave() { _lockState.Release(); } public void Dispose() { _lockState.Dispose(); }
- Mutex
Mutex是一个互斥锁，该锁的功能和AutoResetEvent还有SimpleWaitLock，
public class Mutex:WaitHandle{ public Mutex(); public void Release(); }
但是Mutex还有一些额外的功能：该锁支持递归调用。锁的递归调用就是单线程多次加锁，如下所示：
var smLock = new SmLock(); void M1(){ smLock.Enter(); M2();//M2中会再次加锁，即“递归” smLock.Exit(); } void M2(){ smLock.Enter(); //一些操作 smLock.Exit(); }
为了支持这个功能，Mutex中会记录当前获得锁的线程Id，允许已经获得锁的线程再次加锁，并对加锁次数进行计数。当计数为0时，调用Release()方法重置锁。
前面介绍了自旋锁和内核锁，下面来介绍混合锁。前面介绍了自旋锁的优势在串行时的性能消耗较小，内核锁的优势在竟态时不占用CPU资源，而混合锁就是这两者的结合体，我们来实现一个简单的混合锁。
public class SimpleHybridLock : IDisposable { private readonly AutoResetEvent _coreLock = new AutoResetEvent(true); private volatile int _outLock = 0; public void Enter() { //尝试获得锁 if (++_outLock == 1) //锁无人使用，直接返回 return; //有其他线程已获得锁，则在此等待该锁释放。 _coreLock.WaitOne(); } public void Leave() { //尝试释放锁，如果没有其他线程在等待锁，则直接返回 if (--_outLock == 0) return; //唤醒一个等待的线程，比较浪费性能 _coreLock.Set(); } /// <summary> /// 释放内核锁 /// </summary> public void Dispose() { _coreLock.Dispose(); } }
在SimpleHybridLock中，我声明了一个int变量和一个AutoResetEvent变量，当调用Enter方法时，使_outLock++，并判断新值是否为1，如果是1，则表示该锁是自由的，没有被其他线程获得。因为当该锁被其他线程获得后，再次调用Enter方法会使_outLock的值变为2,。如果是1，则直接返回，表示该线程已经获得了该锁。如果大于1，表示该锁已经被其他线程获得，这时就会继续执行，调用_coreLock.WaitOne()方法，来等待该锁的释放。在调用Leave方法时，会先判断--_outLock 是否为0，若返回0，则该锁已经被释放。因为当返回值大于0时，代表有其他线程在等待该锁，这时就要调用_coreLock.Set来唤醒一个等待的线程。
SimpleHybridLock锁的优势在：当单线程执行时，永远不会出现另外一个线程来尝试获得锁，那么该锁只有很小的开支，对_outLock++，并判断新值是否为1，然后直接返回，在释放锁的时候，对_outLock--，然后判断是否为0。_coreLock.WaitOne()永远不会被执行，因此该锁有自旋锁的优点，单线程快。当多线程时，会调用_coreLock.WaitOne()来等待该锁的释放，而不会“自旋”，从而浪费CPU。
该锁的问题是，没有记录哪个线程获得了锁，如果想要获得锁的线程直接调用Leave方法，就会造成错误的锁释放。不光如此，该锁也没有实现锁的递归。实现这些功能就会造成资源的消耗，就看你是否有能力来保证不会出现上述情况。
还可以在Enter方法中，if(++_outLock == 1){}处添加一个较短的自旋，该自旋是为了处理那些非常短的获得锁和释放所的程序。当判断锁已经被获取时，不会直接调用_coreLock.WaitOne()，而是自旋一段时间，如果获得锁的线程执行了一段很短的程序，那么在自旋的过程中，锁已经被释放了，这时就可以避免调用内核锁来浪费资源。这是一种有针对性的修改。使锁更适合那些较短的任务。
- Monitor
FCL提供了几个混合锁，其中最常用的是Monitor，它支持自旋、递归、锁的所有权，我们在调用lock(object)时，编译器会将其编译成Monitor.Enter和Exist块。那到底Monitor是怎么实现的？
Monitor的基本原理是利用class在堆中初始化时，会初始化一个同步块。该同步块是用来记录有哪些指针引用了该对象，以及引用的个数。我们在调用Monitor的时候，会这样
Monitor.Enter(obj); x++; Monitor.Exist(obj);
简单理解，在调用Monitor.Enter(obj)方法后，会造成obj无法再被其他线程调用，直到Monitor.Leave(obj)被调用。这样会造成Monitor的BUG，例子如下：
class MonitorExample { private int m; public void Test() { Monitor.Enter(this); m = 5; Monitor.Exit(this); } public int M { get { Monitor.Enter(this); //保证对m访问的安全性 int n = m; Monitor.Exit(this); return n; } } } public static void TestMethod() { var t = new MonitorExample(); Monitor.Enter(t); //注意，线程池会阻塞，直到TestMethod调用Monitor.Exist(t)! //因为已经对t添加了Monitor.Enter，其他线程无法访问t。 ThreadPool.QueueUserWorkItem(o => {Console.WriteLine(t.M); });
//执行其他代码
Monitor.Exist(t); }
TestMethod方法会造成线程池的阻塞，原因是已经对t添加了Monitor.Enter，其他线程无法访问t，究其原因，Monitor不该设计成静态类，而是应该和其他锁一样，设计成正常的类，然后初始化Monitor，就不会造成上述问题，因为锁是独有的。解决的办法是单独声明一个只读的字段用来锁定，如下：
object readonly obj = new object(); Monitor.Enter(obj); //执行其他操作 Monitor.Exist(obj);
避免对访问对象调用Monitor.Enter，而是对单独的字段来进行锁定。
以上，就是本文的全部内容，至此，我完成了C#多线程编程系列的全部内容。本文的知识点多是来自《CLR via C#》，说是该书最后一部分线程基础的总结和梳理也不为过。还有一部分是来自《果壳中的C#》，虽然该书内容较浅，很多知识都是浅尝辄止，但是我在开始看《CLR via C#》时，有点读不明白，因为知识点很多，而且太细了，反而有些没法掌握，偶然翻开《果壳》，简单的看了一下多线程部分，发现这本书讲的提纲挈领，我一下子就明白不少。
如果您对本文有任何问题，欢迎在评论区与我互动。
