多线程下解决资源竞争的7种方法

前言

　　一般情况下，只要涉及到多线程编程，程序的复杂性就会显著上升，性能显著下降，BUG出现的概率大大提升。

多线程编程本意是将一段程序并行运行，提升数据处理能力，但是由于大部分情况下都涉及到共有资源的竞争，所以修改资源

对象时必须加锁处理。但是锁的实现有很多种方法，下面就来一起了解一下在C#语言中几种锁的实现与其性能表现。

一、c#下的几种锁的运用方式

1、临界区，通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问。

 1         private static object obj = new object();
 2         private static int lockInt;
 3         private static void LockIntAdd()
 4         {
 5             for (var i = 0; i < runTimes; i++)
 6             {
 7                 lock (obj)
 8                 {
 9                     lockInt++;
10                 }
11             }
12         }

你没看错，c#中的lock语法就是临界区(Monitor)的一个语法糖，这大概是90%以上的.net程序员首先想到的锁，不过大部分人都只是知道

有这么个语法，不知道其实是以临界区的方式处理资源竞争。

2、互斥量，为协调共同对一个共享资源的单独访问而设计的。

c#中有一个Mutex类，就在System.Threading命名空间下，Mutex其实就是互斥量，互斥量不单单能处理多线程之间的资源竞争，还能处理

进程之间的资源竞争，功能是比较强大的，但是开销也很大，性能比较低。

 1         private static Mutex mutex = new Mutex();
 2         private static int mutexInt;
 3         private static void MutexIntAdd()
 4         {
 5             for (var i = 0; i < runTimes; i++)
 6             {
 7                 mutex.WaitOne();
 8                 mutexInt++;
 9                 mutex.ReleaseMutex();
10             }
11         }

3、信号量，为控制一个具有有限数量用户资源而设计。

 1         private static Semaphore sema = new Semaphore(1, 1);
 2         private static int semaphoreInt;
 3         private static void SemaphoreIntAdd()
 4         {
 5             for (var i = 0; i < runTimes; i++)
 6             {
 7                 sema.WaitOne();
 8                 semaphoreInt++;
 9                 sema.Release();
10             }
11         }

4、事件：用来通知线程有一些事件已发生，从而启动后继任务的开始。

 1         public static AutoResetEvent autoResetEvent = new AutoResetEvent(true);
 2         private static int autoResetEventInt;
 3         private static void AutoResetEventIntAdd()
 4         {
 5             for (var i = 0; i < runTimes; i++)
 6             {
 7                 if (autoResetEvent.WaitOne())
 8                 {
 9                     autoResetEventInt++;
10                     autoResetEvent.Set();
11                 }
12             }
13         }

5、读写锁，这种锁允许在有其他程序正在写的情况下读取资源，所以如果资源允许脏读，用这个比较合适

 1         private static ReaderWriterLockSlim LockSlim = new ReaderWriterLockSlim();
 2         private static int lockSlimInt;
 3         private static void LockSlimIntAdd()
 4         {
 5             for (var i = 0; i < runTimes; i++)
 6             {
 7                 LockSlim.EnterWriteLock();
 8                 lockSlimInt++;
 9                 LockSlim.ExitWriteLock();
10             }
11         }

6、原子锁，通过原子操作Interlocked.CompareExchange实现“无锁”竞争

 1         private static int isLock;
 2         private static int ceInt;
 3         private static void CEIntAdd()
 4         {
 5             //long tmp = 0;
 6             for (var i = 0; i < runTimes; i++)
 7             {
 8                 while (Interlocked.CompareExchange(ref isLock, 1, 0) == 1) { Thread.Sleep(1); }
 9 
10                 ceInt++;
11                 Interlocked.Exchange(ref isLock, 0);
12             }
13         }

7、原子性操作，这是一种特例，野外原子性操作本身天生线程安全，所以无需加锁

1         private static int atomicInt;
2         private static void AtomicIntAdd()
3         {
4             for (var i = 0; i < runTimes; i++)
5             {
6                 Interlocked.Increment(ref atomicInt);
7             }
8         }

8、不加锁，如果不加锁，那多线程下运行结果肯定是错的，这里贴上来比较一下性能

1         private static int noLockInt;
2         private static void NoLockIntAdd()
3         {
4             for (var i = 0; i < runTimes; i++)
5             {
6                 noLockInt++;
7             }
8         }

二、性能测试

1、测试代码，执行1000，10000，100000，1000000次

 1         private static void Run()
 2         {
 3             var stopwatch = new Stopwatch();
 4             var taskList = new Task[loopTimes];
 5 
 6             // 多线程
 7             Console.WriteLine();
 8             Console.WriteLine($"              线程数:{loopTimes}");
 9             Console.WriteLine($"            执行次数:{runTimes}");
10             Console.WriteLine($"        校验值应等于:{runTimes * loopTimes}");
11 
12             // AtomicIntAdd
13             stopwatch.Restart();
14             for (var i = 0; i < loopTimes; i++)
15             {
16                 taskList[i] = Task.Factory.StartNew(() => { AtomicIntAdd(); });
17             }
18             Task.WaitAll(taskList);
19             Console.WriteLine($"{GetFormat("AtomicIntAdd")}, 总耗时:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}毫秒, 校验值:{atomicInt}");
20 
21             // CEIntAdd
22             taskList = new Task[loopTimes];
23             stopwatch.Restart();
24 
25             for (var i = 0; i < loopTimes; i++)
26             {
27                 taskList[i] = Task.Factory.StartNew(() => { CEIntAdd(); });
28             }
29             Task.WaitAll(taskList);
30             Console.WriteLine($"{GetFormat("CEIntAdd")}, 总耗时:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}毫秒, 校验值:{ceInt}");
31 
32             // LockIntAdd
33             taskList = new Task[loopTimes];
34             stopwatch.Restart();
35 
36             for (var i = 0; i < loopTimes; i++)
37             {
38                 taskList[i] = Task.Factory.StartNew(() => { LockIntAdd(); });
39             }
40             Task.WaitAll(taskList);
41             Console.WriteLine($"{GetFormat("LockIntAdd")}, 总耗时:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}毫秒, 校验值:{lockInt}");
42 
43             // MutexIntAdd
44             taskList = new Task[loopTimes];
45             stopwatch.Restart();
46 
47             for (var i = 0; i < loopTimes; i++)
48             {
49                 taskList[i] = Task.Factory.StartNew(() => { MutexIntAdd(); });
50             }
51             Task.WaitAll(taskList);
52             Console.WriteLine($"{GetFormat("MutexIntAdd")}, 总耗时:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}毫秒, 校验值:{mutexInt}");
53 
54             // LockSlimIntAdd
55             taskList = new Task[loopTimes];
56             stopwatch.Restart();
57 
58             for (var i = 0; i < loopTimes; i++)
59             {
60                 taskList[i] = Task.Factory.StartNew(() => { LockSlimIntAdd(); });
61             }
62             Task.WaitAll(taskList);
63             Console.WriteLine($"{GetFormat("LockSlimIntAdd")}, 总耗时:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}毫秒, 校验值:{lockSlimInt}");
64 
65             // SemaphoreIntAdd
66             taskList = new Task[loopTimes];
67             stopwatch.Restart();
68 
69             for (var i = 0; i < loopTimes; i++)
70             {
71                 taskList[i] = Task.Factory.StartNew(() => { SemaphoreIntAdd(); });
72             }
73             Task.WaitAll(taskList);
74             Console.WriteLine($"{GetFormat("SemaphoreIntAdd")}, 总耗时:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}毫秒, 校验值:{semaphoreInt}");
75 
76 
77             // AutoResetEventIntAdd
78             taskList = new Task[loopTimes];
79             stopwatch.Restart();
80 
81             for (var i = 0; i < loopTimes; i++)
82             {
83                 taskList[i] = Task.Factory.StartNew(() => { AutoResetEventIntAdd(); });
84             }
85             Task.WaitAll(taskList);
86             Console.WriteLine($"{GetFormat("AutoResetEventIntAdd")}, 总耗时:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}毫秒, 校验值:{autoResetEventInt}");
87 
88             // NoLockIntAdd
89             taskList = new Task[loopTimes];
90             stopwatch.Restart();
91 
92             for (var i = 0; i < loopTimes; i++)
93             {
94                 taskList[i] = Task.Factory.StartNew(() => { NoLockIntAdd(); });
95             }
96             Task.WaitAll(taskList);
97             Console.WriteLine($"{GetFormat("NoLockIntAdd")}, 总耗时:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}毫秒, 校验值:{noLockInt}");
98             Console.WriteLine();
99         }