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多线程中的锁系统(二)-volatile、Interlocked、ReaderWriterLockSlim
介绍
上章主要说排他锁的直接使用方式。但实际当中全部都用锁又太浪费了，或者排他锁粒度太大了。 这一次我们说说升级锁和原子操作。
目录
1：volatile
2: Interlocked
3：ReaderWriterLockSlim
4：总结
一：volatile
简单来说： volatile关键字是告诉c#编译器和JIT编译器，不对volatile标记的字段做任何的缓存。确保字段读写都是原子操作，最新值。
这不就是锁吗？ 其这货它根本不是锁， 它的原子操作是基于CPU本身的，非阻塞的。 因为32位CPU执行赋值指令，数据传输最大宽度4个字节。
所以只要在4个字节以下读写操作的，32位CPU都是原子操作。volatile 它就是利用这个特性来的。
好残酷的事实？不然，微软大法这样是为了提高JIT性能效率，对有些数据进行缓存了(多线程下)。
//正确 public volatile Int32 score1 = 1; //报错 public volatile Int64 score2 = 1;
看上面的例子，我们定义8个字节长度score2就不行了。 因为8个字节，32位CPU就分成2个指令执行了。自然就无法保证原子操作了。
这么细节的，忘了怎么办，那岂不是坑人啊。 于是微软大法直接一棍子打死，限制4个字节以下的类型字段才能用volatile，具体什么、看msdn吧。
那今天我知道了。我编译平台改成64位上，只在64位CPU用volatile int64，行不行？ 不行，编译器报错。说了一棍子打死了。。
(^._.^)? 好吧，其实可以用IntPtr这个。
volatile多数情况下很有用处的，毕竟锁的性能开销还是很大的。我们可以把当成轻量级的锁，根据具体场景合理使用，能提高不少程序性能。
线程中的Thread.VolatileRead 和Thread.VolatileWrite 就是volatile的复杂版。
二：Interlocked
MSDN 描述：为多个线程共享的变量提供原子操作。主要函数如下：
Interlocked.Increment 原子操作，递增指定变量的值并存储结果。
Interlocked.Decrement 原子操作，递减指定变量的值并存储结果。
Interlocked.Add 原子操作，添加两个整数并用两者的和替换第一个整数
Interlocked.CompareExchange(ref a, b, c); 原子操作，a参数和c参数比较， 相等b替换a，不相等不替换。
基本用法就不多说了。直接来段CLR via C# interlock anything的例子：
public static int Maximum(ref int target, int value) { int currentVal = target, startVal, desiredVal; //记录前后值 do { startVal = currentVal; //记录循环迭代的初始值。 desiredVal = Math.Max(startVal, value); //基于startVal和value计算期望值desiredVal //高并发下，线程被抢占情况下，target值会发生改变。 //target startVal相等说明没改变。desiredVal 直接替换。 currentVal = Interlocked.CompareExchange(ref target, desiredVal, startVal); } while (startVal != currentVal); //不相等说明，target值已经被其他线程改动。自旋继续。 return desiredVal; }
三：ReaderWriterLockSlim
假如我们有份缓存数据A，如果每次都不管任何操作lock一下，那么我的这份缓存A就永远只能单线程读写了， 这在Web高并发下是不能忍受的。
那有没有一种办法我只在写入时进入独占锁呢，读操作时不限制线程数量呢？答案就是我们的ReaderWriterLockSlim主角，读写锁。
ReaderWriterLockSlim 其中一种锁EnterUpgradeableReadLock最关键 即可升级锁。
它呢允许你先进入读锁，发现缓存A不一样了， 再进入写锁，写入后退回读锁模式。
ps： 这里注意下net 3.5之前有个ReaderWriterLock 性能较差。推荐使用升级版的 ReaderWriterLockSlim 。
//实例一个读写锁 ReaderWriterLockSlim cacheLock = new ReaderWriterLockSlim(LockRecursionPolicy.SupportsRecursion);
上面实例一个读写锁，这里注意的是构造函数的枚举。
LockRecursionPolicy.NoRecursion 不支持，发现递归会抛异常。
LockRecursionPolicy.SupportsRecursion 即支持递归模式，线程锁中继续在使用锁。
cacheLock.EnterReadLock(); //do cacheLock.EnterReadLock(); //do cacheLock.ExitReadLock(); cacheLock.ExitReadLock();
这种模式极易容易死锁，比如读锁里面使用写锁。
cacheLock.EnterReadLock(); //do cacheLock.EnterWriteLock(); //do cacheLock.ExitWriteLock(); cacheLock.ExitReadLock();
下面是直接拿msdn的缓存例子了，加了简单注释。
public class SynchronizedCache { private ReaderWriterLockSlim cacheLock = new ReaderWriterLockSlim(); private Dictionary<int, string> innerCache = new Dictionary<int, string>(); public string Read(int key) { //进入读锁，允许其他所有的读线程，写入线程被阻塞。 cacheLock.EnterReadLock(); try { return innerCache[key]; } finally { cacheLock.ExitReadLock(); } } public void Add(int key, string value) { //进入写锁，其他所有访问操作的线程都被阻塞。即写独占锁。 cacheLock.EnterWriteLock(); try { innerCache.Add(key, value); } finally { cacheLock.ExitWriteLock(); } } public bool AddWithTimeout(int key, string value, int timeout) { //超时设置，如果在超时时间内，其他写锁还不释放，就放弃操作。 if (cacheLock.TryEnterWriteLock(timeout)) { try { innerCache.Add(key, value); } finally { cacheLock.ExitWriteLock(); } return true; } else { return false; } } public AddOrUpdateStatus AddOrUpdate(int key, string value) { //进入升级锁。 同时只能有一个可升级锁线程。写锁，升级锁都被阻塞，但允许其他读取数据的线程。 cacheLock.EnterUpgradeableReadLock(); try { string result = null; if (innerCache.TryGetValue(key, out result)) { if (result == value) { return AddOrUpdateStatus.Unchanged; } else { //升级成写锁，其他所有线程都被阻塞。 cacheLock.EnterWriteLock(); try { innerCache[key] = value; } finally { //退出写锁，允许其他读线程。 cacheLock.ExitWriteLock(); } return AddOrUpdateStatus.Updated; } } else { cacheLock.EnterWriteLock(); try { innerCache.Add(key, value); } finally { cacheLock.ExitWriteLock(); } return AddOrUpdateStatus.Added; } } finally { //退出升级锁。 cacheLock.ExitUpgradeableReadLock(); } } public enum AddOrUpdateStatus { Added, Updated, Unchanged }; }
四：总结
多线程实际开发当中，往往测试没问题，一到生产环境，并发高了就容易出问题。 一定注意。
五：参考资源
1：CLR via C#
2: MSDN
多线程中的锁系统(二)-volatile、Interlocked、ReaderWriterLockSlim