.NET Core多线程 (4) 锁机制

阅读原文时间：2023年08月11日阅读：1

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();

}