.NET Core多線程 (4) 鎖機制

合集：.NET Core多線程溫故知新

• .NET Core多線程（1）Thread與Task
• .NET Core多線程（2）異步 - 上
• .NET Core多線程（3）異步 - 下
• .NET Core多線程（4）鎖機制
• .NET Core多線程（5）常見性能問題

 

去年換工作時系統複習了一下.NET Core多線程相關專題，學習了一線碼農老哥的《.NET 5多線程編程實戰》課程，我將複習的知識進行了總結形成本專題。

本篇，我們來複習一下.NET中鎖機制的相關知識點，預計閱讀時間10分鐘。

理解lock鎖的底層原理

（1）爲什麼要用鎖？

對某個共享代碼區域（臨界區）進行串行訪問，使用lock來保證串行的安全。

（2）lock的用法

lock (lockMe)
{
   dict.Add(i.ToString(), DateTime.Now);
}

（3）lock的本質

通過ILSpy反編譯查看可以知道，lock是個語法糖，編譯後其實是Monitor.Enter 和 Monitor.Exit 的封裝。

try
{
    Monitor.Enter(lockMe, ref lockTake);

    dict.Add(i.ToString(), DateTime.Now);
}
finally
{
    if (lockTake)
    {
       Monitor.Exit(lockMe);
    }
}

（4）lock爲何需要引用類型？

首先，編譯器要求lock中的所對象必須是引用類型。

其次，因爲lock會用到對象頭中的同步塊索引來進行同步，值類型沒有堆中的數據。

無鎖化：線程的本地存儲

（1）線程本地存儲

static 的作用域在AppDomain下都可見，此時在多線程環境中，通過static共享變量的方式來同步，不可避免會出現鎖競爭。如果能將作用域範圍縮小，比如縮小到Thread級別，就可以避免鎖競爭。例如：ConcurrentBag就是一個好的例子。

（2）.NET中的解決方案

ThreadStatic（Attribute）：當前線程拿到的是定義好的值，其他線程拿到的可能是默認值（值類型可能是0，引用類型可能是null，需要注意容錯）。

ThreadLocal：與ThreadStatic最大的區別在於ThreadStatic只在第一個線程初始化，ThreadLocal則會爲每個線程初始化。

（3）存儲在哪裏？

• PEB 進程環境塊
• TEB 線程環境塊
• TLS 線程本地存儲（Thread Local Storage），取決於一共有多少個DataSlot

（4）應用場景

用來做數據庫連接池：DB連接池 基於 ThreadLocal實現，每個線程只能看見自己的請求隊列；

用來做鏈式追蹤：比如Skywalking或Zipkin等，用到ThreadLocal做本地存儲，記錄完整的調用鏈條如：A -> B -> C -> D；

內核態鎖知多少

（1）基於WaitHandle的內核鎖

這種鎖是基於Windows底層的內核數據結構來維護線程之間的同步，比如：

• AutoResetEvent / ManualResetEvent

• Semaphore

• Mutex

（2）優缺點

需要從用戶態切換到內核態，相對來說比較重量級，相對耗費時間；內核模式的鎖，不僅可用於創建線程同步，還可以創建進程同步。

用戶態鎖知多少

（1）用戶態鎖是啥？

例如下面的代碼：

lock(obj)
{
    ... // todo [1ms]
}

大部分都是在臨界區進行等待時間很短（比如1ms）的加鎖，能不能讓thread在CLR或C#層面內旋（自旋）一下，從而提高性能呢？使用用戶態鎖就可以避免上下文切換和內核切換帶來的高開銷。

（2）尋找解決方案

保持線程在用戶態又要儘可能少的消耗CPU時間

時間片

• Windows中一個時間片大概是30ms
• Thread.Sleep(0)
• 提前結束自己的時間片，然後把自己放入到就緒隊列中，如果就緒隊列中的線程優先級 >= Current Thread，那麼其他線程會被調度
• 如果就緒隊列中的線程優先級 < Current Thread，那麼Current Thread只能繼續執行【低優先級線程得不到執行】
• 整體CPU級別
• Thread.Yield()
• 提前結束自己的時間片，如果當前邏輯CPU上的就緒隊列上有待執行的線程，那麼這個線程就會被調度（不考慮優先級）【低優先級線程可以得到執行】
• 邏輯CPU級別

極端休眠時間

• Sleep(1)
• 本質上和Sleep(1000)一樣，都需要休眠

CAS原語

• read, operate, write => 打包成原子性

藉助CLR內的AwareLock::SpinWait()

• C# SpinWait
• CLR SpinWait

（3）.NET內置的SpinLock（用戶態）

SpinLock在用法上和lock關鍵字差不多的。

class Program
{
   public static SpinLock spinLock = new SpinLock();

   public static int counter = 0;

   static void Main(string[] args)
   {
       Parallel.For(1, 1000001, (i) =>
       {
           var lockTaken = false;
           spinLock.Enter(ref lockTaken);
           ++counter;
           spinLock.Exit();
        }
   });


   Console.WriteLine($"counter={counter}");

   Console.ReadLine();
}

（4）.NET CAS案例：Interlocked

CPU直接操作的，主要用在一些簡單類型上：

• read

• operation

• write

class Program
{
        public static SpinLock spinLock = new SpinLock();

        public static int counter = 0;

        static void Main(string[] args)
        {
            Parallel.For(1, 1000001, (i) =>
            {
                Interlocked.Increment(ref counter, 1);
            });

        Console.WriteLine($"counter={counter}");

        Console.ReadLine();
}

混合態鎖知多少

混合鎖：用戶態模式+內核態模式

（1）ManualResetEventSlim

它是如何實現的？

• lock
• ManualResetEvent
• CAS
• SpinWait（輕量級自旋鎖）、SpinLock

（2）SemaphoreSlim

它是如何實現的？

• ManualResetEvent + lock + SpinWait

（3）ReaderWriterLockSlim

這個鎖的內核版是 ReaderWriterLock，不帶Slim就代表是內核態的鎖。

這個鎖顧名思義是讀寫鎖，意思是：讀可以並行，但寫只能串行。EnterWriteLock() 需要等待所有的reader或writer鎖結束，才能開始

（4）CountdownEvent

這個鎖可以實現類似MapReduce的效果。

它是如何實現的？

基於ManualResetEvent事件做了底層封裝。

線程安全集合知多少

（1）線程安全集合

.NET中都有哪些線程安全的集合類型？

ConcurrentBag　　對應非線程安全類型：List

ConcurrentQueue　　對應非線程安全類型：Queue

ConcurrentStack　　對應非線程安全類型：Stack

ConcurrentDictionary　　對應非線程安全類型：Dictionary

（2）BlockingCollection

BlockingCollection 意爲 阻塞集合。

線程安全的集合 可以轉換爲 阻塞集合，只要它實現了IProducerConsumerCollection接口BlockingCollection可以實現類似發佈訂閱的業務場景應用：

• 生產端Add進去發佈的消息

• 消費者端通過GetConsumingEnumerable()方法阻塞等待發布的消息

ConcurrentDictonary的兩個大坑

（1）Values的坑

• 觀察現象

• 業務場景：自己用ConcurrentDictionary封裝了一個Cache

• FullGC 將 LOH 上的對象回收了

• 所有>=85000byte的都會被納入LOH

• 觀察源碼

• Values方法每次都會生成一個新的List集合對象進行返回，每個對象都是大對象

• 如何改進

• 禁止調用Values方法

• 藉助lock + Dictionary實現類似操作避免每次生成新的List集合對象

（2）GetOrAdd的坑

• 觀察現象

• 業務場景：自己用ConcurrentDictionary封裝了一個Redis連接池緩存

• 藉助GetOrAdd實現的CreateInstance方法未能實現線程安全導致連接池被大量反覆創建

• 觀察源碼

• GetOrAdd方法中的valueFactory不是線程安全的

• 如何改進

• 藉助Lazy改造字典的Value對象，保證創建方法只被執行一次，比如：將RedisConnection改爲Lazy

共享變量在Release模式下的Bug

（1）現象

同樣的代碼，通過共享變量控制工作線程是否要結束自己，在Debug模式下沒有問題，但是在Release模式下有問題。

（2）原因

JIT提供了錯誤的決策導致CPU在解析代碼時做了優化，將 共享變量 存放在了CPU的寄存器中。

（3）WinDbg探究

• Release模式

• 查看memory中的共享變量的值

• CPU寄存器

• 查看共享變量的值

（4）解決方案

• 使用CancellationToken做取消

• 不用Cache，都讀內存address中的對象，性能會相對較低

• 將共享變量 改爲 易變結構，比如：private bool _shouldStop 改爲 private volatile bool _shouldStop

小結

本篇，我們複習了鎖機制相關的知識點。下一篇，我們將複習一下常見的.NET多線程相關的性能優化實踐。

參考資料

一線碼農，騰訊課堂《.NET 5多線程編程實戰》

不明作者，《Task調度與await》

 

作者：周旭龍

出處：https://edisonchou.cnblogs.com

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