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C# Interlocked 類

2022-11-03 12:02:43

【前言】

在日常開發工作中，我們經常要對變數進行操作，例如對一個int變數遞增++。在單執行緒環境下是沒有問題的，但是如果一個變數被多個執行緒操作，那就有可能出現結果和預期不一致的問題。

例如:

static void Main(string[] args)
{
    var j = 0;
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        j++;
    }
    Console.WriteLine(j);
    //100
}

在單執行緒情況下執行，結果一定為100，那麼在多執行緒情況下呢？

static void Main(string[] args)
{
    var j = 0;
    var t1 = Task.Run(() =>
    {
        for (int i = 0; i < 50000; i++)
        {
            j++;
        }
    });
    var t2 = Task.Run(() =>
    {
        for (int i = 0; i < 50000; i++)
        {
            j++;
        }
    });
    Task.WaitAll(t1, t2);
    Console.WriteLine(j);
    //82869 這個結果是隨機的，和每個執行緒執行情況有關
}

我們可以看到，多執行緒情況下並不能保證執行正確，我們也將這種情況稱為 「非執行緒安全」

這種情況下我們可以通過加鎖來達到執行緒安全的目的

static void Main(string[] args)
{
    var locker = new object();
    var j = 0;
    var t1 = Task.Run(() =>
    {
        for (int i = 0; i < 50000; i++)
        {
            lock (locker)
            {
                j++;
            }
        }
    });
    var t2 = Task.Run(() =>
    {
        for (int i = 0; i < 50000; i++)
        {
            lock (locker)
            {
                j++;
            }
        }
    });
    Task.WaitAll(t1, t2);
    Console.WriteLine(j);
    //100000 這裡是一定的
}

加鎖的確能解決上述問題，那麼有沒有一種更加輕量級，更加簡潔的寫法呢？

那麼，今天我們就來認識一下 Interlocked 類

【Interlocked 類下的方法】

Increment(ref int location)

Increment 方法可以輕鬆實現執行緒安全的變數自增

/// <summary>
/// thread safe increament
/// </summary>
public static void Increament()
{
    var j = 0;

    Task.WaitAll(
        Enumerable.Range(0, 50)
        .Select(t =>
            Task.Run(() =>
            {
                for (int i = 0; i < 2000; i++)
                {
                    Interlocked.Increment(ref j);
                }
            }
        ))
        .ToArray()
        );

    Console.WriteLine($"multi thread increament result={j}");
    //result=100000
}

看到這裡，我們一定好奇這個方法底層是怎麼實現的？

我們通過ILSpy反編譯檢視原始碼：

首先看到 Increment 方法其實是通過呼叫 Add 方法來實現自增的

再往下看，Add 方法是通過 ExchangeAdd 方法來實現原子性的自增，因為該方法返回值是增加前的原值，因此返回時增加了本次新增的，結果便是相加的結果，當然 location1 變數已經遞增成功了，這裡只是為了友好地返回增加後的結果。

我們再往下看

這個方法用 [MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall)] 修飾，表明這裡呼叫的是 CLR 內部程式碼，我們只能通過檢視原始碼來繼續學習。

我們開啟 dotnetcore 原始碼：https://github.com/dotnet/corefx

找到 Interlocked 中的 ExchangeAdd 方法

可以看到，該方法用迴圈不斷自旋賦值並檢查是否賦值成功（CompareExchange返回的是修改前的值，如果返回結果和修改前結果是一致，則說明修改成功）

我們繼續看內部實現

內部呼叫 InterlockedCompareExchange 函數，再往下就是直接呼叫的C++原始碼了

在這裡將變數新增 volatile 修飾符，阻止暫存器快取變數值（關於volatile不在此贅述），然後直接呼叫了C++底層內部函數 __sync_val_compare_and_swap 實現原子性的比較交換操作，這裡直接用的是 CPU 指令進行原子性操作，效能非常高。

相同機制函數

和 Increment 函數機制類似，Interlocked 類下的大部分方法都是通過 CompareExchange 底層函數來操作的，因此這裡不再贅述

  • Add 新增值
  • CompareExchange 比較交換
  • Decrement 自減
  • Exchange 交換
  • And 按位元與
  • Or 按位元或
  • Read 讀64位元數值

public static long Read(ref long location)

Read 這個函數著重提一下

可以看到這個函數沒有 32 位（int）型別的過載，為什麼要單獨為 64 位的 long/ulong 型別單獨提供原子性讀取操作符呢？

這是因為CPU有 32 位處理器和 64 位處理器，在 64 位處理器上，暫存器一次處理的資料寬度是 64 位，因此在 64 位處理器和 64 位元運算系統上執行的程式，可以一次性讀取 64 位數值。

但是在 32 位處理器和 32 位元運算系統情況下，long/ulong 這種數值，則要分成兩步操作來進行，分別讀取 32 位資料後，再合併在一起，那顯然就會出現多執行緒情況下的並行問題。

因此這裡提供了原子性的方法來應對這種情況。

這裡底層同樣用了 CompareExchange 操作來保證原子性，引數這裡就給了兩個0，可以相容如果原值是 0 則寫入 0 ，如果原值非 0 則不寫入，返回原值。

__sync_val_compare_and_swap 函數
在寫入新值之前， 讀出舊值， 當且僅當舊值與儲存中的當前值一致時，才把新值寫入儲存

【關於效能】

多執行緒下實現原子性操作方式有很多種，我們一定會關心在不同場景下，不同方法間的效能問題，那麼我們簡單來對比下 Interlocked 類提供的方法和 lock 關鍵字的效能對比

我們同樣用執行緒池排程50個Task（內部可能執行緒重用），分別執行 200000 次自增運算

public static void IncreamentPerformance()
{
    //lock method

    var locker = new object();

    var stopwatch = new Stopwatch();

    stopwatch.Start();

    var j1 = 0;

    Task.WaitAll(
        Enumerable.Range(0, 50)
        .Select(t =>
            Task.Run(() =>
            {
                for (int i = 0; i < 200000; i++)
                {
                    lock (locker)
                    {
                        j1++;
                    }
                }
            }
        ))
        .ToArray()
        );

    Console.WriteLine($"Monitor lock，result={j1},elapsed={stopwatch.ElapsedMilliseconds}");

    stopwatch.Restart();

    //Increment method

    var j2 = 0;

    Task.WaitAll(
        Enumerable.Range(0, 50)
        .Select(t =>
            Task.Run(() =>
            {
                for (int i = 0; i < 200000; i++)
                {
                    Interlocked.Increment(ref j2);
                }
            }
        ))
        .ToArray()
        );

    stopwatch.Stop();

    Console.WriteLine($"Interlocked.Increment，result={j2},elapsed={stopwatch.ElapsedMilliseconds}");
}

運算結果

可以看到，採用 Interlocked 類中的自增函數，效能比 lock 方式要好一些

雖然這裡看起來效能要好，但是不同的業務場景要針對性思考，採用恰當的編碼方式，不要一味追求效能

我們簡單分析下造成執行時間差異的原因

我們都知道，使用lock（底層是Monitor類），在上述程式碼中會阻塞執行緒執行，保證同一時刻只能有一個執行緒執行 j1++ 操作，因此能保證操作的原子性，那麼在多核CPU下，也只能有一個CPU核心在執行這段邏輯，其他核心都會等待或執行其他事件，執行緒阻塞後，並不會一直在這裡傻等，而是由作業系統排程執行其他任務。由此帶來的代價可能是頻繁的執行緒上下文切換，並且CPU使用率不會太高，我們可以用分析工具來印證下。

Visual Studio 自帶的分析工具，檢視執行緒使用率

使用 Process Explorer 工具檢視程式碼執行過程中上下文切換數

可以大概估計出，採用 lock（Monitor）同步自增方式，上下文切換 243 次

那麼我們用同樣的方式看下底層用 CAS 函數執行自增的開銷

Visual Studio 自帶的分析工具，檢視執行緒使用率

使用 Process Explorer 工具檢視程式碼執行過程中上下文切換數

可以大概估計出，採用 CAS 自增方式，上下文切換 220 次

可見，不論使用什麼技術手段，執行緒建立太多都會帶來大量的執行緒上下文切換

這個應該是和測試的程式碼相關

兩者比較大的區別在CPU的使用率上，因為 lock 方式會造成執行緒阻塞，因此不會所有的CPU核心同時參與運算，CPU在當前程序上使用率不會太高，但 cas 方式CPU在自己的時間分片內並沒有被阻塞或重新排程，而是不停地執行比較替換的動作（其實這種場景算是無用功，不必要的負開銷），造成CPU使用率非常高。

【總結】

簡單來說，Interlocked 類提供的方法給我們帶來了方便快捷操作欄位的方式，比起使用鎖同步的程式設計方式來說，要輕量不少，執行效率也大大提高。但是該技術並非銀彈，一定要考慮清楚使用的場景後再決定使用，比如伺服器web應用下，多執行緒執行大量耗費CPU的運算，可能會嚴重影響應用吞吐量。雖然表面看起來執行這個單一的任務效率高一些（代價是CPU全部撲在這個任務上，無法響應其他任務），其實在我們的測試中，總共執行了 10000000 次運算，這種場景應該是比較極端的，而且在web應用場景下，用 lock 的方式響應時間也沒有達到不能容忍的程度，但是用 lock 的好處是cpu可以處理其他使用者請求的任務，極大提高了吞吐量。

我們建議在競爭較少的場景，或者不需要很高吞吐量的場景下（簡單說是CPU時間不那麼寶貴的場景下）我們可以用 Interlocked 類來保證操作的原子性，可以適當提升效能。而在競爭非常激烈的場景下，一定不要用 Interlocked 來處理原子性操作，改用 lock 方式會好很多。

【原始碼地址】

https://github.com/sevenTiny/CodeArts/blob/master/CSharp/ConsoleAppNet60/InterlockedTest.cs