揭示同步块索引（上）：从lock开始
转自http://www.cnblogs.com/yuyijq/archive/2009/03/13/1410071.html#undefined
大家都知道引用类型对象除实例字段的开销外，还有两个字段的开销：类型指针和同步块索引（SyncBlockIndex）。同步块索引这个东西比起它的兄弟类型指针更少受人关注，显得有点冷落，其实此兄功力非凡，在CLR里可谓叱咤风云，很多功能都要借助它来实现。 接下来我会用三篇来介绍同步块索引在.NET中的所作所为。
既然本章副标题是从lock开始，那我就举几个lock的示例：
代码1
1: public class Singleton
2: {
3: private static object lockHelper = new object();
4: private static Singleton _instance = null;
5: public static Singleton Instance
6: {
7: get
8: {
9: lock(lockHelper)
10: {
11: if(_instance == null)
12: _instance = new Singleton();
13: }
14: return _instance;
15: }
16: }
17: }
代码2
1: public class Singleton
2: {
3: private static Singleton _instance = null;
4: public static Singleton Instance
5: {
6: get
7: {
8: object lockHelper = new object();
9: lock(lockHelper)
10: {
11: if(_instance==null)
12: _instance = new Singleton();
13: }
14: return _instance;
15: }
16: }
17: }
代码3
1: public class Singleton
2: {
3: private static Singleton _instance = null;
4: public static Singleton Instance
5: {
6: get
7: {
8: lock(typeof(Singleton))
9: {
10: if(_instance==null)
11: _instance = new Singleton();
12: }
13: return_instance;
14: }
15: }
16: }
代码4
1: public void DoSomething()
2: {
3: lock(this)
4: {
5: //dosomething
6: }
7: }
上面四种代码，对于加锁的方式来说（不讨论其他）哪一种是上上选？对于这个问题的答案留在本文最后解答。
让我们先来看看在Win32的时代，我们如何做到CLR中的lock的效果。在Win32时，Windows为我们提供了一个CRITICAL_SECTION结构，看看上面的单件模式，如果使用CRITICAL_SECTION的方式如何实现？
1: class Singleton
2: {
3: private:
4: CRITICAL_SECTIONg_cs;
5: static Singleton _instance = NULL;
6: public:
7: Singleton()
8: {
9: InitializeCriticalSection(&g_cs);
10: }
11: static Singleton GetInstance()
12: {
13: EnterCriticalSection(&g_cs);
14: if(_instance!=NULL)
15: _instance=newSingleton();
16: LeaveCriticalSection(&g_cs);
17: return_instance;
18: }
19: ~Singleton()
20: {
21: DeleteCriticalSection(&g_cs);
22: }
23: }
Windows提供四个方法来操作这个CRITICAL_SECTION，在构造函数里我们使用InitializeCriticalSection这个方法初始化这个结构，它知道如何初始化CRITICAL_SECTION结构的成员，当我们要进入一个临界区访问共享资源时，我们使用EnterCriticalSection方法，该方法首先会检查CRITICAL_SECTION的成员，检查是否已经有线程进入了临界区，如果有，则线程会等待，否则会设置CRITICAL_SECTION的成员，标识出本线程进入了临界区。当临界区操作结束后，我们使用LeaveCriticalSection方法标识线程离开临界区。在Singleton类的析构函数里，我们使用DeleteCriticalSection方法销毁这个结构。整个过程就是如此。
我们可以在WinBase.h里找到CRITICAL_SECTION的定义：
typedef RTL_CRITICAL_SECTION CRITICAL_SECTION;
可以看到，CRITICAL_SECTION实际上就是RTL_CRITICAL_SECTION，而RTL_CRITICAL_SECTION又是在WinNT.h里定义的：
1: typedef struct _RTL_CRITICAL_SECTION{
2: PRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUGDebugInfo;
3: //
4: //Thefollowingthreefieldscontrolenteringandexitingthecritical
5: //sectionfortheresource
6: //
7: LONG LockCount;
8: LONG RecursionCount;
9: HANDLE OwningThread;//fromthethread'sClientId->UniqueThread
10: HANDLE LockSemaphore;
11: ULONG _PTRSpinCount;//forcesizeon64-bitsystemswhenpacked
12: }RTL_CRITICAL_SECTION,*PRTL_CRITICAL_SECTION;
从上面的定义和注释，聪明的你肯定知道Windows API提供的这几个方法是如何操作CRITICAL_SECTION结构的吧。在这里我们只需要关注OwningThread成员，当有线程进入临界区的时候，这个成员就会指向当前线程的句柄。
说了这么多，也许有人已经厌烦了，不是说好说lock么，怎么说半天Win32 API呢，实际上CLR的lock与Win32 API实现方式几乎是一样的。但CLR并没有提供CRITICAL_SECTION结构，不过CLR提供了同步块，CLR还提供了System.Threading.Monitor类。
实际上使用lock的方式，与下面的代码是等价的：
1: try{
2: Monitor.Enter(obj);
3: //…
4: }finally{
5: Monitor.Exit(obj);
6: }
（以下内容只限制在本文，为了简单，有的说法很片面，更详细的内容会在后面两篇里描述）
当CLR初始化的时候，CLR会初始化一个SyncBlock的数组，当一个线程到达Monitor.Enter方法时，该线程会检查该方法接受的参数的同步块索引，默认情况下对象的同步块索引是一个负数(实际上并不是负数，我这里只是为了叙说方便)，那么表明该对象并没有一个关联的同步块，CLR就会在全局的SyncBlock数组里找到一个空闲的项，然后将数组的索引赋值给该对象的同步块索引，SyncBlock的内容和CRITICAL_SECTION的内容很相似，当Monitor.Enter执行时，它会设置SyncBlock里的内容，标识出已经有一个线程占用了，当另外一个线程进入时，它就会检查SyncBlock的内容，发现已经有一个线程占用了，该线程就会等待，当Monitor.Exit执行时，占用的线程就会释放SyncBlock，其他的线程可以进入操作了。
好了，有了上面的解释，我们现在可以判断本文前面给出的几个代码，哪一个是上上选呢？
对于代码2，锁定的对象是作为一个局部变量，每个线程进入的时候，锁定的对象都会不一样，它的SyncBlock每一次都是重新分配的，这个根本谈不上什么锁定不锁定。
对于代码3，一般说来应该没有什么事情，但这个操作却是很危险的，typeof(Singleton)得到的是Singleton的Type对象，所有Singleton实例的Type都是同一个，Type对象也是一个对象，它也有自己的SyncBlock，Singleton的Type对象的SyncBlock在程序中只会有一份，为什么说这种做法是危险的呢？如果在该程序中，其他毫不相干的地方我们也使用了lock(typeof(Singleton))，虽然它和这里的锁定毫无关系，但是只要一个地方锁定了，各个地方的线程都会在等待。
对于代码4，实际上代码4的性质和代码3差不多，如果有一个地方使用了DoSomething方法所在类的实例进行lock，而且恰好如this是同一个实例，那么两个地方就会互斥了。
由此看来只有代码1是上上选，之所以是这样，是因为代码1将锁定的对象作为私有字段，只有这个对象内部可以访问，外部无法锁定。 上面只是从文字上叙说，也许你觉得证据不足，我们就搬来代码作证。 使用ILDasm反编译上面单件模式的Instance属性的代码，其中一段IL代码如下所示：
1: IL_0007:stloc.1
2: IL_0008:call void [mscorlib]System.Threading.Monitor::Enter(object)
3: IL_000d:nop
4: .try
5: {
6: IL_000e:nop
7: IL_000f:ldsfld class Singleton Singleton::_instance
8: //….
9: //…
10: }
11: finally
12: {
13: IL_002b:ldloc.1
14: IL_002c:call void [mscorlib]System.Threading.Monitor::Exit(object)
15: IL_0031:nop
16: IL_0032:endfinally
17: }
为了简单，我省去了一部分代码。但是很明显，我们看到了System.Threading.Monitor.Enter和Exit。然后我们拿出Reflector看看这个Monitor到底是何方神圣。哎呀，发现Monitor.Enter和Monitor.Exit的代码如下所示：
1: [MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall)]
2: public static extern void Enter(objectobj);
3: [MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall),ReliabilityContract(Consistency.WillNotCorruptState,Cer.Success)]
4: public static extern void Exit(objectobj);
只见方法使用了extern关键字，方法上面还标有[MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall)]这样的特性，实际上这说明Enter和Exit的代码是在内部C++的代码实现的。只好拿出Rotor的代码求助了，对于所有"内部实现"的代码，我们可以在sscli20\clr\src\vm\ecall.cpp里找到映射：
1: FCFuncStart(gMonitorFuncs)
2: FCFuncElement("Enter", JIT_MonEnter)
3: FCFuncElement("Exit", JIT_MonExit)
4: …
5: FCFuncEnd()
原来Enter映射到JIT_MonEnter，一步步的找过去，我们最终到了这里：
Sscli20\clr\src\vm\jithelpers.cpp：
1: HCIMPL_MONHELPER(JIT_MonEnterWorker_Portable, Object* obj)
2: {
3: //省略大部分代码
4: OBJECTREF objRef = ObjectToOBJECTREF(obj);
5: objRef->EnterObjMonitor();
6: }
7: HCIMPLEND
objRef就是object的引用，EnterObjMonitor方法的代码如下：
1: void EnterObjMonitor()
2: {
3: GetHeader()->EnterObjMonitor();
4: }
GetHeader()方法获取对象头ObjHeader，在ObjHeader里有对EnterObjMonitor()方法的定义：
1: void ObjHeader::EnterObjMonitor()
2: {
3: GetSyncBlock()->EnterMonitor();
4: }
GetSyncBlock()方法会获取该对象对应的SyncBlock，在SyncBlock里有EnterMonitor方法的定义：
1: void EnterMonitor()
2: {
3: m_Monitor.Enter();
4: }
离核心越来越近了，m_Monitor是一个AwareLock类型的字段，看看AwareLock类内Enter方法的定义：
1: void AwareLock::Enter()
2: {
3: Thread* pCurThread = GetThread();
4: for (;;)
5: {
6: volatile LONG state = m_MonitorHeld;
7: if (state == 0)
8: {
9: // Common case: lock not held, no waiters. Attempt to acquire lock by
10: // switching lock bit.
11: if (FastInterlockCompareExchange((LONG*)&m_MonitorHeld, 1, 0) == 0)
12: {
13: break;
14: }
15: }
16: else
17: {
18: // It's possible to get here with waiters but no lock held, but in this
19: // case a signal is about to be fired which will wake up a waiter. So
20: // for fairness sake we should wait too.
21: // Check first for recursive lock attempts on the same thread.
22: if (m_HoldingThread == pCurThread)
23: {
24: goto Recursion;
25: }
26: // Attempt to increment this count of waiters then goto contention
27: // handling code.
28: if (FastInterlockCompareExchange((LONG*)&m_MonitorHeld, (state + 2), state) == state)
29: {
30: goto MustWait;
31: }
32: }
33: }
34: // We get here if we successfully acquired the mutex.
35: m_HoldingThread = pCurThread;
36: m_Recursion = 1;
37: pCurThread->IncLockCount();
38: return;
39: MustWait:
40: // Didn't manage to get the mutex, must wait.
41: EnterEpilog(pCurThread);
42: return;
43: Recursion:
44: // Got the mutex via recursive locking on the same thread.
45: m_Recursion++;
46: }
从上面的代码我们可以看到，先使用GetThread()获取当前的线程，然后取出m_MonitorHeld字段，如果现在没有线程进入临界区，则设置该字段的状态，然后将m_HoldingThread设置为当前线程，从这一点上来这与Win32的过程应该是一样的。如果从m_MonitorHeld字段看，有线程已经进入临界区则分两种情况：第一，是否已进入的线程如当前线程是同一个线程，如果是，则把m_Recursion递加，如果不是，则通过EnterEpilog(pCurThread)方法，当前线程进入线程等待队列。
通过上面的文字描述和代码的跟踪，在我们的大脑中应该有这样一张图了：
总结
现在你应该知道lock背后发生的事情了吧。下一次面试的时候，当别人问你同步块索引的时候，你就可以滔滔不绝的和他论述一番。接下来还有两篇分析同步块的其他作用。
欢迎拍砖，祝编程愉快。
