C# lock 語(yǔ)法糖實(shí)現(xiàn)原理--《.NET Core 底層入門(mén)》之自旋鎖，互斥鎖，混合鎖，讀寫(xiě)鎖

在多線(xiàn)程環(huán)境中，多個(gè)線(xiàn)程可能會(huì)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)資源，為了避免訪(fǎng)問(wèn)發(fā)生沖突，可以根據(jù)訪(fǎng)問(wèn)的復(fù)雜程度采取不同的措施

原子操作適用于簡(jiǎn)單的單個(gè)操作，無(wú)鎖算法適用于相對(duì)簡(jiǎn)單的一連串操作，而線(xiàn)程鎖適用于復(fù)雜的一連串操作

原子操作

修改狀態(tài)要么成功且狀態(tài)改變，要么失敗且狀態(tài)不變，并且外部只能觀察到修改前或者修改后的狀態(tài)，修改中途的狀態(tài)不能被觀察到

.NET 中，System.Threading.Interlocked
類(lèi)提供了用于執(zhí)行原子操作的函數(shù)，這些函數(shù)接收引用參數(shù)（ref），也就是變量的內(nèi)存地址，然后針對(duì)該內(nèi)存地址中的值執(zhí)行原子操作

無(wú)鎖算法

不使用線(xiàn)程鎖，通過(guò)修改操作的內(nèi)容使它們滿(mǎn)足原子操作的條件

.NET 提供了一些線(xiàn)程安全的數(shù)據(jù)類(lèi)型，這些數(shù)據(jù)類(lèi)型大量應(yīng)用了無(wú)鎖算法來(lái)提升訪(fǎng)問(wèn)速度（在部分情況下仍需要線(xiàn)程鎖）：

System.Collections.Consurrent.CurrentBag

System.Collections.Consurrent.CurrentDictionary<TKey, TValue>

System.Collections.Consurrent.CurrentQueue

System.Collections.Consurrent.CurrentStack

線(xiàn)程鎖


有獲取鎖（Acquire）和釋放鎖（Release）兩個(gè)操作，在獲取鎖之后和釋放鎖之前進(jìn)行的操作保證在同一個(gè)時(shí)間只有一個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行，操作內(nèi)容無(wú)需改變，所以線(xiàn)程鎖具有很強(qiáng)的通用性

線(xiàn)程鎖有不同的種類(lèi)，下面將分別介紹自旋鎖，互斥鎖，混合鎖，讀寫(xiě)鎖

自旋鎖

自旋鎖（Spinlock）是最簡(jiǎn)單的線(xiàn)程鎖，基于原子操作實(shí)現(xiàn)

它使用一個(gè)數(shù)值來(lái)表示鎖是否已經(jīng)被獲取，0表示未被獲取，1表示已經(jīng)獲取

獲取鎖時(shí)會(huì)先使用原子操作設(shè)置數(shù)值為1，然后檢查修改前的值是否為0，如果為0則代表獲取成功，否則繼續(xù)重試直到成功為止

釋放鎖時(shí)會(huì)設(shè)置數(shù)值為0，其他正在獲取鎖的線(xiàn)程會(huì)在下一次重試時(shí)成功獲取

使用原子操作的原因是，它可以保證多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)把數(shù)值0修改到1時(shí)，只有一個(gè)線(xiàn)程可以觀察到修改前的值為0，其他線(xiàn)程觀察到修改前的值為1

.NET 可以使用以下的類(lèi)實(shí)現(xiàn)自旋鎖：

System.Threading.Thread.SpinWait

System.Threading.SpinWait

System.Threading.SpinLock

使用自旋鎖有個(gè)需要注意的問(wèn)題，自旋鎖保護(hù)的代碼應(yīng)該在非常短的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完畢，如果代碼長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行則其他需要獲取鎖的線(xiàn)程會(huì)不斷重試并占用邏輯核心，影響其他線(xiàn)程運(yùn)行

此外，如果 CPU 只有一個(gè)邏輯核心，自旋鎖在獲取失敗時(shí)應(yīng)該立刻調(diào)用 Thread.Yield
函數(shù)提示操作系統(tǒng)切換到其他線(xiàn)程，因?yàn)橐粋€(gè)邏輯核心同一時(shí)間只能運(yùn)行一個(gè)線(xiàn)程，在切換線(xiàn)程之前其他線(xiàn)程沒(méi)有機(jī)會(huì)運(yùn)行，也就是切換線(xiàn)程之前自旋鎖沒(méi)有機(jī)會(huì)被釋放

互斥鎖

由于自旋鎖不適用于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，它的使用場(chǎng)景比較有限，更通用的線(xiàn)程鎖是操作系統(tǒng)提供的基于原子操作與線(xiàn)程調(diào)度實(shí)現(xiàn)的互斥鎖（Mutex）


與自旋鎖一樣，操作系統(tǒng)提供的互斥鎖內(nèi)部有一個(gè)數(shù)值表示是否已經(jīng)被獲取，不同的是當(dāng)獲取鎖失敗時(shí)，它不會(huì)反復(fù)重試，而是安排獲取鎖的線(xiàn)程進(jìn)入等待狀態(tài)，并把線(xiàn)程對(duì)象添加到鎖關(guān)聯(lián)的隊(duì)列中，另一個(gè)線(xiàn)程釋放鎖時(shí)會(huì)檢查隊(duì)列中是否有線(xiàn)程對(duì)象，如果有則通知操作系統(tǒng)喚醒該線(xiàn)程

因?yàn)樘幱诘却隣顟B(tài)的線(xiàn)程沒(méi)有運(yùn)行，即使長(zhǎng)時(shí)間不釋放也不會(huì)消耗 CPU
資源，但讓線(xiàn)程進(jìn)入等待狀態(tài)與從等待狀態(tài)喚醒并調(diào)度運(yùn)行可能會(huì)花費(fèi)毫秒級(jí)的時(shí)間，與自旋鎖重試所需的納秒級(jí)時(shí)間相比非常的長(zhǎng)

.NET 提供了 System.Threading.Mutex
類(lèi)，這個(gè)類(lèi)包裝了操作系統(tǒng)提供的互斥鎖，它是可重入的，已經(jīng)獲取鎖的線(xiàn)程可以再次執(zhí)行獲取蘇鎖的操作，但釋放鎖的操作也要執(zhí)行相同的次數(shù)，可重入的鎖又叫遞歸鎖（Recursive
Lock）

遞歸鎖內(nèi)部使用一個(gè)計(jì)數(shù)器記錄進(jìn)入次數(shù)，同一個(gè)線(xiàn)程每獲取一次就加1，釋放一次就減1，減1后如果計(jì)數(shù)器變?yōu)?就執(zhí)行真正的釋放操作，一般用在嵌套調(diào)用的多個(gè)函數(shù)中

Mutex 類(lèi)的另一個(gè)特點(diǎn)是支持跨進(jìn)程使用，創(chuàng)建時(shí)通過(guò)構(gòu)造函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)可以傳入名稱(chēng)


如果一個(gè)進(jìn)程獲取了鎖，那么在釋放該鎖前的另一個(gè)進(jìn)程獲取同樣名稱(chēng)的鎖需要等待；如果進(jìn)程獲取了鎖，但是在退出之前沒(méi)有調(diào)用釋放鎖的方法，那么鎖會(huì)被操作系統(tǒng)自動(dòng)釋放，其他當(dāng)前正在等待鎖（鎖被自動(dòng)釋放前進(jìn)入等待狀態(tài)）的進(jìn)程會(huì)收到
AbandonedMutexException 異常

跨進(jìn)程鎖通常用于保護(hù)多個(gè)進(jìn)程共享的資源或者防止程序多重啟動(dòng)

混合鎖

互斥鎖 Mutex 使用時(shí)必須創(chuàng)建改類(lèi)型的實(shí)例，因?yàn)閷?shí)例包含了非托管的互斥鎖對(duì)象，開(kāi)發(fā)者必須在不使用鎖后盡快調(diào)用 Dispose
函數(shù)釋放非托管資源，并且因?yàn)楂@取鎖失敗后會(huì)立刻安排線(xiàn)程進(jìn)入等待，總體上性能比較低

.NET 提供了更通用而且更高性能的混合鎖（Monitor），任何引用類(lèi)型的對(duì)象都可以作為鎖對(duì)象，不需要事先創(chuàng)建指定類(lèi)型的實(shí)例，并且涉及的非托管資源由
.NET 運(yùn)行時(shí)自動(dòng)釋放，不需要手動(dòng)調(diào)用釋放函數(shù)

獲取和釋放混合鎖需要使用 System.Threading.Monitor 類(lèi)中的函數(shù)

C# 提供了 lock 語(yǔ)句來(lái)簡(jiǎn)化通過(guò) Monitor 類(lèi)獲取和釋放的代碼

混合鎖的特征是在獲取鎖失敗后像自旋鎖一樣重試一定的次數(shù)，超過(guò)一定次數(shù)之后（.NET Core 2.1 是30次）再安排當(dāng)前進(jìn)程進(jìn)入等待狀態(tài)


混合鎖的好處是，如果第一次獲取鎖失敗，但其他線(xiàn)程馬上釋放了鎖，當(dāng)前線(xiàn)程在下一輪重試可以獲取成功，不需要執(zhí)行毫秒級(jí)的線(xiàn)程調(diào)度處理；而如果其他線(xiàn)程在短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有釋放鎖，線(xiàn)程會(huì)在超過(guò)重試次數(shù)之后進(jìn)入等待狀態(tài)，以避免消耗
CPU 資源，因此混合鎖適用于大部分場(chǎng)景

讀寫(xiě)鎖

讀寫(xiě)鎖（ReaderWriterLock）是一個(gè)具有特殊用途的線(xiàn)程鎖，適用于頻繁讀取且讀取需要一定時(shí)間的場(chǎng)景


共享資源的讀取操作通常是可以同時(shí)執(zhí)行的，而普通的互斥鎖不管是讀取還是修改操作都無(wú)法同時(shí)執(zhí)行，如果多個(gè)線(xiàn)程為了讀取操作而獲取互斥鎖，那么同一時(shí)間只有一個(gè)線(xiàn)程可以執(zhí)行讀取操作，在頻繁讀取的場(chǎng)景下會(huì)對(duì)吞吐量造成影響


讀寫(xiě)鎖分為讀取鎖和寫(xiě)入鎖，線(xiàn)程可以根據(jù)對(duì)共享資源的操作類(lèi)型選擇獲取讀寫(xiě)鎖還是寫(xiě)入鎖，讀取鎖可以被多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)獲取，寫(xiě)入鎖不可以被多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)獲取，而且讀取鎖和寫(xiě)入鎖不可以被不同的線(xiàn)程同時(shí)獲取

.NET 提供的 System.Threading.ReaderWriterLockSlim 類(lèi)實(shí)現(xiàn)了讀寫(xiě)鎖，

讀寫(xiě)鎖也是一個(gè)混合鎖（Hybird Lock）,在獲取鎖時(shí)通過(guò)自旋重試一定的次數(shù)再進(jìn)入等待狀態(tài)

此外，它還支持同一個(gè)線(xiàn)程先獲取讀寫(xiě)鎖，然后再升級(jí)為寫(xiě)入鎖，適用于“需要先獲取讀寫(xiě)鎖，然后讀取共享數(shù)據(jù)判斷是否需要修改，需要修改時(shí)再獲取寫(xiě)入鎖”的場(chǎng)景

參考資料

《.NET Core 底層入門(mén)》

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