C#多執行緒系列之原子操作

2022-02-13 19:01:02

知識點

競爭條件

當兩個或兩個以上的執行緒存取共用資料，並且嘗試同時改變它時，就發生爭用的情況。它們所依賴的那部分共用資料，叫做競爭條件。

資料爭用是競爭條件中的一種，出現競爭條件可能會導致記憶體(資料)損壞或者出現不確定性的行為。

執行緒同步

如果有 N 個執行緒都會執行某個操作，當一個執行緒正在執行這個操作時，其它執行緒都必須依次等待，這就是執行緒同步。

多執行緒環境下出現競爭條件，通常是沒有執行正確的同步而導致的。

CPU時間片和上下文切換

時間片(timeslice)是作業系統分配給每個正在執行的程序微觀上的一段 CPU 時間。

首先，核心會給每個程序分配相等的初始時間片，然後每個程序輪番地執行相應的時間，當所有程序都處於時間片耗盡的狀態時，核心會重新為每個程序計算並分配時間片，如此往復。

請參考：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%97%B6%E9%97%B4%E7%89%87

上下文切換（Context Switch），也稱做程序切換或工作切換，是指 CPU 從一個程序或執行緒切換到另一個程序或執行緒。

在接受到中斷（Interrupt）的時候，CPU 必須要進行上下文交換。進行上下文切換時，會帶來效能損失。

請參考[https://zh.wikipedia.org/wiki/上下文交換

阻塞

阻塞狀態指執行緒處於等待狀態。當執行緒處於阻塞狀態時，會盡可能少佔用 CPU 時間。

當執行緒從執行狀態(Runing)變為阻塞狀態時(WaitSleepJoin)，作業系統就會將此執行緒佔用的 CPU 時間片分配給別的執行緒。當執行緒恢復執行狀態時(Runing)，作業系統會重新分配 CPU 時間片。

分配 CPU 時間片時，會出現上下文切換。

核心模式和使用者模式

只有作業系統才能切換執行緒、掛起執行緒，因此阻塞執行緒是由作業系統處理的，這種方式被稱為核心模式(kernel-mode)。

Sleep()、Join() 等，都是使用核心模式來阻塞執行緒，實現執行緒同步(等待)。

核心模式實現執行緒等待時，出現上下文切換。這適合等待時間比較長的操作，這樣會減少大量的 CPU 時間損耗。

如果執行緒只需要等待非常微小的時間，阻塞執行緒帶來的上下文切換代價會比較大，這時我們可以使用自旋，來實現執行緒同步，這一方法稱為使用者模式(user-mode)。

Interlocked 類

為多個執行緒共用的變數提供原子操作。

使用 Interlocked 類，可以在不阻塞執行緒(lock、Monitor)的情況下，避免競爭條件。

Interlocked 類是靜態類，讓我們先來看看 Interlocked 的常用方法：

方法	作用
CompareExchange()	比較兩個數是否相等，如果相等，則替換第一個值。
Decrement()	以原子操作的形式遞減指定變數的值並儲存結果。
Exchange()	以原子操作的形式，設定為指定的值並返回原始值。
Increment()	以原子操作的形式遞增指定變數的值並儲存結果。
Add()	對兩個數進行求和並用和替換第一個整數，上述操作作為一個原子操作完成。
Read()	返回一個以原子操作形式載入的值。

全部方法請檢視：https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.interlocked?view=netcore-3.1

1，出現問題

問題：

C# 中賦值和一些簡單的數學運算不是原子操作，受多執行緒環境影響，可能會出現問題。

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單的方法呢？

首先我們編寫以下程式碼：

        private static int sum = 0;
        public static void AddOne()
        {
            for (int i = 0; i < 100_0000; i++)
            {
                sum += 1;
            }
        }

這個方法的工作完成後，sum 會 +100。

我們在 Main 方法中呼叫：

        static void Main(string[] args)
        {
            AddOne();
            AddOne();
            AddOne();
            AddOne();
            AddOne();
            Console.WriteLine("sum = " + sum);
        }

結果肯定是 5000000，無可爭議的。

但是這樣會慢一些，如果作死，要多執行緒同時執行呢？

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);
        }

筆者執行一次，出現了 sum = 2633938

我們將每次運算的結果儲存到陣列中，擷取其中一段發現：

多個執行緒使用同一個變數進行操作時，並不知道此變數已經在其它執行緒中發生改變，導致執行完畢後結果不符合期望。

我們可以通過下面這張圖來解釋：

因此，這裡就需要原子操作，在某個時刻，必須只有一個執行緒能夠進行某個操作。而上面的操作，指的是讀取、計算、寫入這一過程。

當然，我們可以使用 lock 或者 Monitor 來解決，但是這樣會帶來比較大的效能損失。

這時 Interlocked 就起作用了，對於一些簡單的操作運算， Interlocked 可以實現原子性的操作。

實現原子性，可以通過多種鎖來解決，目前我們學習到了 lock、Monitor，現在來學習 Interlocked ，後面會學到更加多的鎖的實現。

2，Interlocked.Increment()

用於自增操作。

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);
            }
        }

然後執行，你會發現結果 sum = 5000000 ，這就對了。

說明 Interlocked 可以對簡單值型別進行原子操作。

Interlocked.Increment() 是遞增，而 Interlocked.Decrement() 是遞減。

3，Interlocked.Exchange()

Interlocked.Exchange() 實現賦值運算。

這個方法有多個過載，我們找其中一個來看看：

public static int Exchange(ref int location1, int value);

意思是將 value 賦給 location1 ，然後返回 location1 改變之前的值。

測試：

        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不會變化的  b = {b}   |   a 之前的值  result2 = {result2}");
        }

另外 Exchange() 也有對參照型別的過載：

Exchange<T>(T, T)

4，Interlocked.CompareExchange()

其中一個過載：

public static int CompareExchange (ref int location1, int value, int comparand)

比較兩個 32 位有符號整數是否相等，如果相等，則替換第一個值。

如果 comparand 和 location1 中的值相等，則將 value 儲存在 location1中。否則，不會執行任何操作。

看準了，是 location1 和 comparand 比較！

使用範例如下：

        static void Main(string[] args)
        {
            int location1 = 1;
            int value = 2;
            int comparand = 3;

            Console.WriteLine("執行前：");
            Console.WriteLine($" location1 = {location1}    |   value = {value} |   comparand = {comparand}");

            Console.WriteLine("當 location1 != comparand 時");
            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 location1 == comparand 時");
            comparand = 1;
            result = Interlocked.CompareExchange(ref location1, value, comparand);
            Console.WriteLine($" location1 = {location1} | value = {value} |  comparand = {comparand} |  location1 改變前的值  {result}");
        }

5，Interlocked.Add()

對兩個 32 位整數進行求和並用和替換第一個整數，上述操作作為一個原子操作完成。

public static int Add (ref int location1, int value);

只能對 int 或 long 有效。

回到第一小節的多執行緒求和問題，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);
            }
        }

6，Interlocked.Read()

返回一個以原子操作形式載入的 64 位值。

64位元系統上不需要 Read 方法，因為64位元讀取操作已是原子操作。在32位元系統上，64位元讀取操作不是原子操作，除非使用 Read 執行。

public static long Read (ref long location);

就是說 32 位系統上才用得上。

到此這篇關於C#多執行緒系列之原子操作的文章就介紹到這了。希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支援it145.com。