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這篇文章主要講解了“C#原子操作實(shí)例分析”,文中的講解內(nèi)容簡(jiǎn)單清晰,易于學(xué)習(xí)與理解,下面請(qǐng)大家跟著小編的思路慢慢深入,一起來研究和學(xué)習(xí)“C#原子操作實(shí)例分析”吧!
當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程訪問共享數(shù)據(jù),并且嘗試同時(shí)改變它時(shí),就發(fā)生爭(zhēng)用的情況。它們所依賴的那部分共享數(shù)據(jù),叫做競(jìng)爭(zhēng)條件。
數(shù)據(jù)爭(zhēng)用是競(jìng)爭(zhēng)條件中的一種,出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)條件可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存(數(shù)據(jù))損壞或者出現(xiàn)不確定性的行為。
如果有 N 個(gè)線程都會(huì)執(zhí)行某個(gè)操作,當(dāng)一個(gè)線程正在執(zhí)行這個(gè)操作時(shí),其它線程都必須依次等待,這就是線程同步。
多線程環(huán)境下出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)條件,通常是沒有執(zhí)行正確的同步而導(dǎo)致的。
時(shí)間片(timeslice)是操作系統(tǒng)分配給每個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程微觀上的一段 CPU 時(shí)間。
首先,內(nèi)核會(huì)給每個(gè)進(jìn)程分配相等的初始時(shí)間片,然后每個(gè)進(jìn)程輪番地執(zhí)行相應(yīng)的時(shí)間,當(dāng)所有進(jìn)程都處于時(shí)間 片耗盡的狀態(tài)時(shí),內(nèi)核會(huì)重新為每個(gè)進(jìn)程計(jì)算并分配時(shí)間片,如此往復(fù)。
請(qǐng)參考:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%97%B6%E9%97%B4%E7%89%87
上下文切換(Context Switch),也稱做進(jìn)程切換或任務(wù)切換,是指 CPU 從一個(gè)進(jìn)程或線程切換到另一個(gè)進(jìn)程或線程。
在接受到中斷(Interrupt)的時(shí)候,CPU 必須要進(jìn)行上下文交換。進(jìn)行上下文切換時(shí),會(huì)帶來性能損失。
阻塞狀態(tài)指線程處于等待狀態(tài)。當(dāng)線程處于阻塞狀態(tài)時(shí),會(huì)盡可能少占用 CPU 時(shí)間。
當(dāng)線程從運(yùn)行狀態(tài)(Runing)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)時(shí)(WaitSleepJoin),操作系統(tǒng)就會(huì)將此線程占用的 CPU 時(shí)間片分配給別的線程。當(dāng)線程恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)(Runing),操作系統(tǒng)會(huì)重新分配 CPU 時(shí)間片。
分配 CPU 時(shí)間片時(shí),會(huì)出現(xiàn)上下文切換。
只有操作系統(tǒng)才能切換線程、掛起線程,因此阻塞線程是由操作系統(tǒng)處理的,這種方式被稱為內(nèi)核模式(kernel-mode)。
Sleep()
、Join()
等,都是使用內(nèi)核模式來阻塞線程,實(shí)現(xiàn)線程同步(等待)。
內(nèi)核模式實(shí)現(xiàn)線程等待時(shí),出現(xiàn)上下文切換。這適合等待時(shí)間比較長(zhǎng)的操作,這樣會(huì)減少大量的 CPU 時(shí)間損耗。
如果線程只需要等待非常微小的時(shí)間,阻塞線程帶來的上下文切換代價(jià)會(huì)比較大,這時(shí)我們可以使用自旋,來實(shí)現(xiàn)線程同步,這一方法稱為用戶模式(user-mode)。
為多個(gè)線程共享的變量提供原子操作。
使用 Interlocked 類,可以在不阻塞線程(lock、Monitor)的情況下,避免競(jìng)爭(zhēng)條件。
Interlocked 類是靜態(tài)類,讓我們先來看看 Interlocked 的常用方法:
方法 | 作用 |
---|---|
CompareExchange() | 比較兩個(gè)數(shù)是否相等,如果相等,則替換第一個(gè)值。 |
Decrement() | 以原子操作的形式遞減指定變量的值并存儲(chǔ)結(jié)果。 |
Exchange() | 以原子操作的形式,設(shè)置為指定的值并返回原始值。 |
Increment() | 以原子操作的形式遞增指定變量的值并存儲(chǔ)結(jié)果。 |
Add() | 對(duì)兩個(gè)數(shù)進(jìn)行求和并用和替換第一個(gè)整數(shù),上述操作作為一個(gè)原子操作完成。 |
Read() | 返回一個(gè)以原子操作形式加載的值。 |
問題:
C# 中賦值和一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算不是原子操作,受多線程環(huán)境影響,可能會(huì)出現(xiàn)問題。
我們可以使用 lock 和 Monitor 來解決這些問題,但是還有沒有更加簡(jiǎn)單的方法呢?
首先我們編寫以下代碼:
private static int sum = 0; public static void AddOne() { for (int i = 0; i < 100_0000; i++) { sum += 1; } }
這個(gè)方法的工作完成后,sum 會(huì) +100。
我們?cè)?Main 方法中調(diào)用:
static void Main(string[] args) { AddOne(); AddOne(); AddOne(); AddOne(); AddOne(); Console.WriteLine("sum = " + sum); }
結(jié)果肯定是 5000000,無可爭(zhēng)議的。
但是這樣會(huì)慢一些,如果作死,要多線程同時(shí)執(zhí)行呢?
好的,Main 方法改成如下:
static void Main(string[] args) { for (int i = 0; i < 5; i++) { Thread thread = new Thread(AddOne); thread.Start(); } Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2)); Console.WriteLine("sum = " + sum); }
筆者運(yùn)行一次,出現(xiàn)了 sum = 2633938
我們將每次運(yùn)算的結(jié)果保存到數(shù)組中,截取其中一段發(fā)現(xiàn):
8757 8758 8760 8760 8760 8761 8762 8763 8764 8765 8766 8766 8768 8769
多個(gè)線程使用同一個(gè)變量進(jìn)行操作時(shí),并不知道此變量已經(jīng)在其它線程中發(fā)生改變,導(dǎo)致執(zhí)行完畢后結(jié)果不符合期望。
我們可以通過下面這張圖來解釋:
因此,這里就需要原子操作,在某個(gè)時(shí)刻,必須只有一個(gè)線程能夠進(jìn)行某個(gè)操作。而上面的操作,指的是讀取、計(jì)算、寫入這一過程。
當(dāng)然,我們可以使用 lock 或者 Monitor 來解決,但是這樣會(huì)帶來比較大的性能損失。
這時(shí) Interlocked 就起作用了,對(duì)于一些簡(jiǎn)單的操作運(yùn)算, Interlocked 可以實(shí)現(xiàn)原子性的操作。
實(shí)現(xiàn)原子性,可以通過多種鎖來解決,目前我們學(xué)習(xí)到了 lock、Monitor,現(xiàn)在來學(xué)習(xí) Interlocked ,后面會(huì)學(xué)到更加多的鎖的實(shí)現(xiàn)。
用于自增操作。
我們修改一下 AddOne 方法:
public static void AddOne() { for (int i = 0; i < 100_0000; i++) { Interlocked.Increment(ref sum); } }
然后運(yùn)行,你會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)果 sum = 5000000 ,這就對(duì)了。
說明 Interlocked 可以對(duì)簡(jiǎn)單值類型進(jìn)行原子操作。
Interlocked.Increment() 是遞增,而 Interlocked.Decrement() 是遞減。
Interlocked.Exchange()
實(shí)現(xiàn)賦值運(yùn)算。
這個(gè)方法有多個(gè)重載,我們找其中一個(gè)來看看:
public static int Exchange(ref int location1, int value);
意思是將 value 賦給 location1 ,然后返回 location1 改變之前的值。
測(cè)試:
static void Main(string[] args) { int a = 1; int b = 5; // a 改變前為1 int result1 = Interlocked.Exchange(ref a, 2); Console.WriteLine($"a新的值 a = {a} | a改變前的值 result1 = {result1}"); Console.WriteLine(); // a 改變前為 2,b 為 5 int result2 = Interlocked.Exchange(ref a, b); Console.WriteLine($"a新的值 a = {a} | b不會(huì)變化的 b = | a 之前的值 result2 = {result2}"); }
另外 Exchange()
也有對(duì)引用類型的重載:
Exchange<T>(T, T)
其中一個(gè)重載:
public static int CompareExchange (ref int location1, int value, int comparand)
比較兩個(gè) 32 位有符號(hào)整數(shù)是否相等,如果相等,則替換第一個(gè)值。
如果 comparand
和 location1
中的值相等,則將 value
存儲(chǔ)在 location1
中。 否則,不會(huì)執(zhí)行任何操作。
看準(zhǔn)了,是 location1
和 comparand
比較!
使用示例如下:
static void Main(string[] args) { int location1 = 1; int value = 2; int comparand = 3; Console.WriteLine("運(yùn)行前:"); Console.WriteLine($" location1 = {location1} | value = {value} | comparand = {comparand}"); Console.WriteLine("當(dāng) location1 != comparand 時(shí)"); int result = Interlocked.CompareExchange(ref location1, value, comparand); Console.WriteLine($" location1 = {location1} | value = {value} | comparand = {comparand} | location1 改變前的值 {result}"); Console.WriteLine("當(dāng) location1 == comparand 時(shí)"); comparand = 1; result = Interlocked.CompareExchange(ref location1, value, comparand); Console.WriteLine($" location1 = {location1} | value = {value} | comparand = {comparand} | location1 改變前的值 {result}"); }
對(duì)兩個(gè) 32 位整數(shù)進(jìn)行求和并用和替換第一個(gè)整數(shù),上述操作作為一個(gè)原子操作完成。
public static int Add (ref int location1, int value);
只能對(duì) int 或 long 有效。
回到第一小節(jié)的多線程求和問題,使用 Interlocked.Add()
來替換Interlocked.Increment()
。
static void Main(string[] args) { for (int i = 0; i < 5; i++) { Thread thread = new Thread(AddOne); thread.Start(); } Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(2)); Console.WriteLine("sum = " + sum); } private static int sum = 0; public static void AddOne() { for (int i = 0; i < 100_0000; i++) { Interlocked.Add(ref sum,1); } }
返回一個(gè)以原子操作形式加載的 64 位值。
64位系統(tǒng)上不需要 Read 方法,因?yàn)?4位讀取操作已是原子操作。 在32位系統(tǒng)上,64位讀取操作不是原子操作,除非使用 Read 執(zhí)行。
public static long Read (ref long location);
就是說 32 位系統(tǒng)上才用得上。
感謝各位的閱讀,以上就是“C#原子操作實(shí)例分析”的內(nèi)容了,經(jīng)過本文的學(xué)習(xí)后,相信大家對(duì)C#原子操作實(shí)例分析這一問題有了更深刻的體會(huì),具體使用情況還需要大家實(shí)踐驗(yàn)證。這里是億速云,小編將為大家推送更多相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的文章,歡迎關(guān)注!
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