.NET Core多线程 (4) 锁机制
阅读原文时间:2023年08月11日阅读:3

合集:.NET Core多线程温故知新

去年换工作时系统复习了一下.NET Core多线程相关专题,学习了一线码农老哥的《.NET 5多线程编程实战》课程,我将复习的知识进行了总结形成本专题。

本篇,我们来复习一下.NET中锁机制的相关知识点,预计阅读时间10分钟。

理解lock锁的底层原理

(1)为什么要用锁?

对某个共享代码区域(临界区)进行串行访问,使用lock来保证串行的安全

(2)lock的用法

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

(3)lock的本质

通过ILSpy反编译查看可以知道,lock是个语法糖,编译后其实是Monitor.Enter 和 Monitor.Exit 的封装

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

dict.Add(i.ToString(), DateTime.Now);  

}
finally
{
if (lockTake)
{
Monitor.Exit(lockMe);
}
}

(4)lock为何需要引用类型?

首先,编译器要求lock中的所对象必须是引用类型。

其次,因为lock会用到对象头中的同步块索引来进行同步,值类型没有堆中的数据。

无锁化:线程的本地存储

(1)线程本地存储

static 的作用域在AppDomain下都可见,此时在多线程环境中,通过static共享变量的方式来同步,不可避免会出现锁竞争。如果能将作用域范围缩小,比如缩小到Thread级别,就可以避免锁竞争。例如:ConcurrentBag就是一个好的例子。

(2).NET中的解决方案

ThreadStatic(Attribute):当前线程拿到的是定义好的值,其他线程拿到的可能是默认值(值类型可能是0,引用类型可能是null,需要注意容错)。

ThreadLocal:与ThreadStatic最大的区别在于ThreadStatic只在第一个线程初始化,ThreadLocal则会为每个线程初始化。

(3)存储在哪里?

  • PEB 进程环境块
  • TEB 线程环境块
  • TLS 线程本地存储(Thread Local Storage),取决于一共有多少个DataSlot

(4)应用场景

用来做数据库连接池:DB连接池 基于 ThreadLocal实现,每个线程只能看见自己的请求队列;

用来做链式追踪:比如Skywalking或Zipkin等,用到ThreadLocal做本地存储,记录完整的调用链条如:A -> B -> C -> D;

内核态锁知多少

(1)基于WaitHandle的内核锁

这种锁是基于Windows底层的内核数据结构来维护线程之间的同步,比如:

  • AutoResetEvent / ManualResetEvent

  • Semaphore

  • Mutex

(2)优缺点

需要从用户态切换到内核态,相对来说比较重量级,相对耗费时间;内核模式的锁,不仅可用于创建线程同步,还可以创建进程同步。

用户态锁知多少

(1)用户态锁是啥?

例如下面的代码:

lock(obj)
{
… // todo [1ms]
}

大部分都是在临界区进行等待时间很短(比如1ms)的加锁,能不能让thread在CLR或C#层面内旋(自旋)一下,从而提高性能呢?使用用户态锁就可以避免上下文切换和内核切换带来的高开销。

(2)寻找解决方案

保持线程在用户态又要尽可能少的消耗CPU时间

时间片

  • Windows中一个时间片大概是30ms

  • Thread.Sleep(0)

  • 提前结束自己的时间片,然后把自己放入到就绪队列中,如果就绪队列中的线程优先级 >= Current Thread,那么其他线程会被调度

  • 如果就绪队列中的线程优先级 < Current Thread,那么Current Thread只能继续执行【低优先级线程得不到执行】

  • 整体CPU级别

  • Thread.Yield()

  • 提前结束自己的时间片,如果当前逻辑CPU上的就绪队列上有待执行的线程,那么这个线程就会被调度(不考虑优先级)【低优先级线程可以得到执行】

  • 逻辑CPU级别

极端休眠时间

  • Sleep(1)

  • 本质上和Sleep(1000)一样,都需要休眠

CAS原语

  • read, operate, write => 打包成原子性

借助CLR内的AwareLock::SpinWait()

  • C# SpinWait
  • CLR SpinWait

(3).NET内置的SpinLock(用户态)

SpinLock在用法上和lock关键字差不多的。

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,主要用在一些简单类型上:

  • 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();  

}

混合态锁知多少

混合锁:用户态模式+内核态模式

(1)ManualResetEventSlim

它是如何实现的?

  • lock
  • ManualResetEvent
  • CAS
  • SpinWait(轻量级自旋锁)、SpinLock

(2)SemaphoreSlim

它是如何实现的?

  • ManualResetEvent + lock + SpinWait

(3)ReaderWriterLockSlim

这个锁的内核版是 ReaderWriterLock,不带Slim就代表是内核态的锁。

这个锁顾名思义是读写锁,意思是:读可以并行,但写只能串行。EnterWriteLock() 需要等待所有的reader或writer锁结束,才能开始

(4)CountdownEvent

这个锁可以实现类似MapReduce的效果。

它是如何实现的?

基于ManualResetEvent事件做了底层封装。

线程安全集合知多少

(1)线程安全集合

.NET中都有哪些线程安全的集合类型?

ConcurrentBag 对应非线程安全类型:List

ConcurrentQueue 对应非线程安全类型:Queue

ConcurrentStack 对应非线程安全类型:Stack

ConcurrentDictionary 对应非线程安全类型:Dictionary

(2)BlockingCollection

BlockingCollection 意为 阻塞集合。

线程安全的集合 可以转换为 阻塞集合,只要它实现了IProducerConsumerCollection接口BlockingCollection可以实现类似发布订阅的业务场景应用:

  • 生产端Add进去发布的消息

  • 消费者端通过GetConsumingEnumerable()方法阻塞等待发布的消息

ConcurrentDictonary的两个大坑

(1)Values的坑

  • 观察现象

  • 业务场景:自己用ConcurrentDictionary封装了一个Cache

  • FullGC 将 LOH 上的对象回收了

  • 所有>=85000byte的都会被纳入LOH

  • 观察源码

  • Values方法每次都会生成一个新的List集合对象进行返回,每个对象都是大对象

  • 如何改进

  • 禁止调用Values方法

  • 借助lock + Dictionary实现类似操作避免每次生成新的List集合对象

(2)GetOrAdd的坑

  • 观察现象

  • 业务场景:自己用ConcurrentDictionary封装了一个Redis连接池缓存

  • 借助GetOrAdd实现的CreateInstance方法未能实现线程安全导致连接池被大量反复创建

  • 观察源码

  • GetOrAdd方法中的valueFactory不是线程安全的

  • 如何改进

  • 借助Lazy改造字典的Value对象,保证创建方法只被执行一次,比如:将RedisConnection改为Lazy

共享变量在Release模式下的Bug

(1)现象

同样的代码,通过共享变量控制工作线程是否要结束自己,在Debug模式下没有问题,但是在Release模式下有问题。

(2)原因

JIT提供了错误的决策导致CPU在解析代码时做了优化,将 共享变量 存放在了CPU的寄存器中。

(3)WinDbg探究

  • Release模式

  • 查看memory中的共享变量的值

  • CPU寄存器

  • 查看共享变量的值

(4)解决方案

  • 使用CancellationToken做取消

  • 不用Cache,都读内存address中的对象,性能会相对较低

  • 将共享变量 改为 易变结构,比如:private bool _shouldStop 改为 private volatile bool _shouldStop

小结

本篇,我们复习了锁机制相关的知识点。下一篇,我们将复习一下常见的.NET多线程相关的性能优化实践。

参考资料

一线码农,腾讯课堂《.NET 5多线程编程实战

不明作者,《Task调度与await》

作者:周旭龙

出处:https://edisonchou.cnblogs.com

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