C#中l(wèi)ock語法糖的實(shí)現(xiàn)原理

這篇文章主要介紹“C#中l(wèi)ock語法糖的實(shí)現(xiàn)原理”，在日常操作中，相信很多人在C#中l(wèi)ock語法糖的實(shí)現(xiàn)原理問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”C#中l(wèi)ock語法糖的實(shí)現(xiàn)原理”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學(xué)習(xí)吧！

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，然后針對該內(nèi)存地址中的值執(zhí)行原子操作

無鎖算法

不使用線程鎖，通過修改操作的內(nèi)容使它們滿足原子操作的條件

.NET 提供了一些線程安全的數(shù)據(jù)類型，這些數(shù)據(jù)類型大量應(yīng)用了無鎖算法來提升訪問速度（在部分情況下仍需要線程鎖）：

System.Collections.Consurrent.CurrentBag

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

System.Collections.Consurrent.CurrentQueue

System.Collections.Consurrent.CurrentStack

線程鎖

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

線程鎖有不同的種類，下面將分別介紹自旋鎖，互斥鎖，混合鎖，讀寫鎖

自旋鎖

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

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

獲取鎖時會先使用原子操作設(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

釋放鎖時會設(shè)置數(shù)值為0，其他正在獲取鎖的線程會在下一次重試時成功獲取

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

.NET 可以使用以下的類實(shí)現(xiàn)自旋鎖：

System.Threading.Thread.SpinWait

System.Threading.SpinWait

System.Threading.SpinLock

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

此外，如果 CPU 只有一個邏輯核心，自旋鎖在獲取失敗時應(yīng)該立刻調(diào)用 Thread.Yield 函數(shù)提示操作系統(tǒng)切換到其他線程，因?yàn)橐粋€邏輯核心同一時間只能運(yùn)行一個線程，在切換線程之前其他線程沒有機(jī)會運(yùn)行，也就是切換線程之前自旋鎖沒有機(jī)會被釋放

互斥鎖

由于自旋鎖不適用于長時間運(yùn)行，它的使用場景比較有限，更通用的線程鎖是操作系統(tǒng)提供的基于原子操作與線程調(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，它不會反復(fù)重試，而是安排獲取鎖的線程進(jìn)入等待狀態(tài)，并把線程對象添加到鎖關(guān)聯(lián)的隊列中，另一個線程釋放鎖時會檢查隊列中是否有線程對象，如果有則通知操作系統(tǒng)喚醒該線程

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

.NET 提供了 System.Threading.Mutex 類，這個類包裝了操作系統(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)部使用一個計數(shù)器記錄進(jìn)入次數(shù)，同一個線程每獲取一次就加1，釋放一次就減1，減1后如果計數(shù)器變?yōu)?就執(zhí)行真正的釋放操作，一般用在嵌套調(diào)用的多個函數(shù)中

Mutex 類的另一個特點(diǎn)是支持跨進(jìn)程使用，創(chuàng)建時通過構(gòu)造函數(shù)的第二個參數(shù)可以傳入名稱

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

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

混合鎖

互斥鎖 Mutex 使用時必須創(chuàng)建改類型的實(shí)例，因?yàn)閷?shí)例包含了非托管的互斥鎖對象，開發(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@取鎖失敗后會立刻安排線程進(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），任何引用類型的對象都可以作為鎖對象，不需要事先創(chuàng)建指定類型的實(shí)例，并且涉及的非托管資源由 .NET 運(yùn)行時自動釋放，不需要手動調(diào)用釋放函數(shù)

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

C# 提供了 lock 語句來簡化通過 Monitor 類獲取和釋放的代碼

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，但其他線程馬上釋放了鎖，當(dāng)前線程在下一輪重試可以獲取成功，不需要執(zhí)行毫秒級的線程調(diào)度處理；而如果其他線程在短時間內(nèi)沒有釋放鎖，線程會在超過重試次數(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景

讀寫鎖

讀寫鎖（ReaderWriterLock）是一個具有特殊用途的線程鎖，適用于頻繁讀取且讀取需要一定時間的場景

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

讀寫鎖分為讀取鎖和寫入鎖，線程可以根據(jù)對共享資源的操作類型選擇獲取讀寫鎖還是寫入鎖，讀取鎖可以被多個線程同時獲取，寫入鎖不可以被多個線程同時獲取，而且讀取鎖和寫入鎖不可以被不同的線程同時獲取

.NET 提供的 System.Threading.ReaderWriterLockSlim 類實(shí)現(xiàn)了讀寫鎖，

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

此外，它還支持同一個線程先獲取讀寫鎖，然后再升級為寫入鎖，適用于“需要先獲取讀寫鎖，然后讀取共享數(shù)據(jù)判斷是否需要修改，需要修改時再獲取寫入鎖”的場景

到此，關(guān)于“C#中l(wèi)ock語法糖的實(shí)現(xiàn)原理”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實(shí)踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識，請繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編會繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬?shí)用的文章！