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.NET 同步与异步之锁（Lock、Monitor）（七）
本随笔续接：.NET同步与异步之相关背景知识（六）
在上一篇随笔中已经提到、解决竞争条件的典型方式就是加锁 ，那本篇随笔就重点来说一说.NET提供的最常用的锁 lock关键字 和 Monitor。
一、lock关键字Demo
public object thisLock = new object(); private long index; public void AddIndex() { lock (this.thisLock) { this.index++; if (this.index > long.MaxValue / 2) { this.index = 0; }
// 和 index 无关的大量操作 } } public long GetIndex() { return this.index; }
这一组demo，代码简洁，逻辑简单，一个 AddIndex 方法 保证字段 index 在 0到100之间，另外一个GetIndex方法用来获取字段index的值。
但是，这一组Demo却有不少问题，甚至可以说是错误，下面我将一一进行说明：
1、忘记同步——即读写操作都需要加锁
GetIndex方法， 由于该方法没有加锁，所以通过该方法在任何时刻都可以访问字段index的值，也就是说会恰好在某个时间点获取到 101 这个值，这一点是和初衷相违背的。
2、读写撕裂
如果说读写撕裂这个问题，这个demo可能不是很直观，但是Long类型确实存在读写撕裂。比如下面的例子：
/// <summary> /// 测试原子性 /// </summary> public void TestAtomicity() { long test = 0; long breakFlag = 0; int index = 0; Task.Run(() => { base.PrintInfo("开始循环 写数据"); while (true) { test = (index % 2 == 0) ? 0x0 : 0x1234567890abcdef; index++; if (Interlocked.Read(ref breakFlag) > 0) { break; } } base.PrintInfo("退出循环 写数据"); }); Task.Run(() => { base.PrintInfo("开始循环 读数据"); while (true) { long temp = test; if (temp != 0 && temp != 0x1234567890abcdef) { Interlocked.Increment(ref breakFlag); base.PrintInfo($"读写撕裂: { Convert.ToString(temp, 16)}"); break; } } base.PrintInfo("退出循环 读数据"); }); }
64位的数据结构是需要两个命令来实现读写操作的，也就是说、如果恰好在两个写命令中间发生了读取操作，就有可能读取到不完成的数据。故而要警惕读写撕裂。
3、粒度错误
AddIndex 方法中，和 index 无关的大量操作 ，放在锁中是没有必要的，虽然没必要但是也不是错的，只能说这个锁的粒度过大，造成了没必要的并发上的性能影响。
下面举例一个错误的锁粒度：
public class BankAccount { private long id; private decimal m_balance = 0.0M; private object m_balanceLock = new object(); public void Deposit(decimal delta) { lock (m_balanceLock) { m_balance += delta; } } public void Withdraw(decimal delta) { lock (m_balanceLock) { if (m_balance < delta) throw new Exception("Insufficient funds"); m_balance -= delta; } } public static void ErrorTransfer(BankAccount a, BankAccount b, decimal delta) { a.Withdraw(delta); b.Deposit(delta); } public static void Transfer(BankAccount a, BankAccount b, decimal delta) { lock (a.m_balanceLock) { lock (b.m_balanceLock) { a.Withdraw(delta); b.Deposit(delta); } } } public static void RightTransfer(BankAccount a, BankAccount b, decimal delta) { if (a.id < b.id) { Monitor.Enter(a.m_balanceLock); // A first Monitor.Enter(b.m_balanceLock); // ...and then B } else { Monitor.Enter(b.m_balanceLock); // B first Monitor.Enter(a.m_balanceLock); // ...and then A } try { a.Withdraw(delta); b.Deposit(delta); } finally { Monitor.Exit(a.m_balanceLock); Monitor.Exit(b.m_balanceLock); } } }
在 ErrorTransfer 方法中，在转账的两个方法中间的时间点上，转账金额属于无主状态，这时锁的粒度就过小了 。
在 Transfer 方法中，虽然粒度正确了，但是此时容易死锁。而比较恰当的方式可以是：RightTransfer 。
4、不合理的lock方式
锁定非私有类型的对象是一种危险的行为，因为非私有类型被暴露给外界、外界也可以对被暴露的对象进行加锁，这种情况下很容造成死锁 或者 错误的锁粒度。
较为合理的方式是 将 thislock 改为 private .
由上述进行类推：
1、lock(this)：如果当前类型为外界可访问的也会有类似问题。
2、lock(typeof(T)): 因为Type对象，是整个进程域中是唯一的。所以，如果T为外界可访问的类型也会有类似问题。
3、lock("字符串")：因为String类型的特殊性（内存驻留机制），多个字符串其实有可能是同一把锁，所以、一不小心就容易掉入陷阱、造成死锁 或者错误的锁粒度。
二、通过 IL 代码看本质
下面是 AddIndex 方法的全部il代码 [使用 .NET 4.5类库，VS2015 编译]：
.method public hidebysig instance void AddIndex() cil managed{ // 代码大小 81 (0x51) .maxstack 3 .locals init ([0] object V_0, [1] bool V_1, [2] bool V_2) IL_0000: nop IL_0001: ldarg.0 IL_0002: ldfld object ParallelDemo.Demo.LockMonitorClass::thisLock IL_0007: stloc.0 IL_0008: ldc.i4.0 IL_0009: stloc.1 .try { IL_000a: ldloc.0 IL_000b: ldloca.s V_1 IL_000d: call void [mscorlib]System.Threading.Monitor::Enter(object, bool&) IL_0012: nop IL_0013: nop IL_0014: ldarg.0 IL_0015: ldarg.0 IL_0016: ldfld int64 ParallelDemo.Demo.LockMonitorClass::index IL_001b: ldc.i4.1 IL_001c: conv.i8 IL_001d: add IL_001e: stfld int64 ParallelDemo.Demo.LockMonitorClass::index IL_0023: ldarg.0 IL_0024: ldfld int64 ParallelDemo.Demo.LockMonitorClass::index IL_0029: ldc.i8 0x3fffffffffffffff IL_0032: cgt IL_0034: stloc.2 IL_0035: ldloc.2 IL_0036: brfalse.s IL_0042 IL_0038: nop IL_0039: ldarg.0 IL_003a: ldc.i4.0 IL_003b: conv.i8 IL_003c: stfld int64 ParallelDemo.Demo.LockMonitorClass::index IL_0041: nop IL_0042: nop IL_0043: leave.s IL_0050 } // end .try finally { IL_0045: ldloc.1 IL_0046: brfalse.s IL_004f IL_0048: ldloc.0 IL_0049: call void [mscorlib]System.Threading.Monitor::Exit(object) IL_004e: nop IL_004f: endfinally } // end handler IL_0050: ret} // end of method LockMonitorClass::AddIndex
当然你没必要完全看懂，你只需要注意到三个细节就可以了：
1、调用 [mscorlib]System.Threading.Monitor::Enter(object, bool&) 方法，其中第二个入参为 索引为1的local变量 [查类库后发现该参数是 ref 传递引用]。
2、如果索引为1的local变量 不为 false，则 调用 [mscorlib]System.Threading.Monitor::Exit(object) 方法
3、try... finally 语句块
换句话，也就是说 lock关键字其实本质上就是 Monitor 类的简化实现方式，为了安全、进行了try...finally处理。
三、Monitor 的 wait 和 Pulse
因为进入锁（Enter）和离开锁（Exit）都是有一定的性能损耗的，所以，当有频繁的没有必要的锁操作的时候，性能影响更大。
比如：在生产者消费者模式中，如果没有需要消费的数据时，对锁的频繁操作是没有必要的（轮询模式，不是推送）。
在这种情况下， wait方法就派上用场了。如下是MSDN中的一句备注：
当前拥有对指定对象的锁的线程调用此方法以释放该对象，以便另一个线程可以访问它。 等待重新获取锁时阻止调用方。 当调用方需要等待另一个线程操作后将发生状态更改时，调用此方法。
wait 和 pulse 方法一笔带过，这对方法、笔者用的也不多。
随笔暂告一段落、下一篇随笔介绍： 锁（ReaderWriterLockSlim）（预计1篇随笔）
附，Demo : http://files.cnblogs.com/files/08shiyan/ParallelDemo.zip
参见更多：随笔导读：同步与异步
(未完待续...)
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