C#多线程(11):线程等待

内容纲要

前面我们学习了很多用于线程管理的 类型,也学习了多种线程同步的使用方法,这一篇主要讲述线程等待相关的内容。

在笔者认真探究多线程前,只会new Thread;锁?Lock;线程等待?Thread.Sleep()

前面已经探究了创建线程的创建姿势和各种锁的使用,也学习了很多类型,也使用到了很多种等待方法,例如 Thread.Sleep()Thread.SpinWait();{某种锁}.WaitOne() 等。

这些等待会影响代码的算法逻辑和程序的性能,也有可能会造成死锁,在本篇我们将会慢慢探究线程中等待。

volatile 关键字

volatile 关键字指示一个字段可以由多个同时执行的线程修改。

我们继续使用《C#多线程(3):原子操作》中的示例:

        static void Main(string[] args)
        {
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
                new Thread(AddOne).Start();
            }
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(5));
            Console.WriteLine("sum = " + sum);
            Console.ReadKey();
        }
        private static int sum = 0;
        public static void AddOne()
        {
            for (int i = 0; i < 100_0000; i++)
            {
                sum += 1;
            }
        }

运行后你会发现,结果不为 500_0000,而使用 Interlocked.Increment(ref sum);后,可以获得准确可靠的结果。

你试试再运行下面的示例:

        static void Main(string[] args)
        {
            for (int i = 0; i < 5; i++)
            {
                new Thread(AddOne).Start();
            }
            Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(5));
            Console.WriteLine("sum = " + sum);
            Console.ReadKey();
        }
        private static volatile int sum = 0;
        public static void AddOne()
        {
            for (int i = 0; i < 100_0000; i++)
            {
                sum += 1;
            }
        }

你以为正常了?哈哈哈,并没有。

volatile 的作用在于读,保证了观察的顺序和写入的顺序一致,每次读取的都是最新的一个值;不会干扰写操作。

详情请点击:https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/keywords/volatile

其原理解释:https://theburningmonk.com/2010/03/threading-understanding-the-volatile-modifier-in-csharp/

《C#多线程(11):线程等待》

三种常用等待

这三种等待分别是:

Thread.Sleep();
Thread.SpinWait();
Task.Delay();

Thread.Sleep(); 会阻塞线程,使得线程交出时间片,然后处于休眠状态,直至被重新唤醒;适合用于长时间的等待;

Thread.SpinWait(); 使用了自旋等待,等待过程中会进行一些的运算,线程不会休眠,用于微小的时间等待;长时间等待会影响性能;

Task.Delay(); 用于异步中的等待,异步的文章后面才写,这里先不理会;

这里我们还需要继续 SpinWait 和 SpinLock 这两个类型,最后再进行总结对照。

再说自旋和阻塞

前面我们学习过自旋和阻塞的区别,这里再来撸清楚一下。

线程等待有内核模式(Kernel Mode)和用户模式(User Model)。

因为只有操作系统才能控制线程的生命周期,因此使用 Thread.Sleep() 等方式阻塞线程,发生上下文切换,此种等待称为内核模式。

用户模式使线程等待,并不需要线程切换上下文,而是让线程通过执行一些无意义的运算,实现等待。也称为自旋。

SpinWait 结构

微软文档定义:为基于自旋的等待提供支持。

线程阻塞是会耗费上下文切换的,对于过短的线程等待,这种切换的代价会比较昂贵的。在我们前面的示例中,大量使用了 Thread.Sleep() 和各种类型的等待方法,这其实是不合理的。

SpinWait 则提供了更好的选择。

属性和方法

老规矩,先来看一下 SpinWait 常用的属性和方法。

属性:

属性 说明
Count 获取已对此实例调用 SpinOnce() 的次数。
NextSpinWillYield 获取对 SpinOnce() 的下一次调用是否将产生处理器,同时触发强制上下文切换。

方法:

方法 说明
Reset() 重置自旋计数器。
SpinOnce() 执行单一自旋。
SpinOnce(Int32) 执行单一自旋,并在达到最小旋转计数后调用 Sleep(Int32) 。
SpinUntil(Func) 在指定条件得到满足之前自旋。
SpinUntil(Func, Int32) 在指定条件得到满足或指定超时过期之前自旋。
SpinUntil(Func, TimeSpan) 在指定条件得到满足或指定超时过期之前自旋。

自旋示例

下面来实现一个让当前线程等待其它线程完成任务的功能。

其功能是开辟一个线程对 sum 进行 +1,当新的线程完成运算后,主线程才能继续运行。

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            new Thread(DoWork).Start();

            // 等待上面的线程完成工作
            MySleep();

            Console.WriteLine("sum = " + sum);
            Console.ReadKey();
        }

        private static int sum = 0;
        private static void DoWork()
        {
            for (int i = 0; i < 1000_0000; i++)
            {
                sum++;
            }
            isCompleted = true;
        }

        // 自定义等待等待
        private static bool isCompleted = false;
        private static void MySleep()
        {
            int i = 0;
            while (!isCompleted)
            {
                i++;
            }
        }
    }

新的实现

我们改进上面的示例,修改 MySleep 方法,改成:

        private static bool isCompleted = false;        
        private static void MySleep()
        {
            SpinWait wait = new SpinWait();
            while (!isCompleted)
            {
                wait.SpinOnce();
            }
        }

或者改成

        private static bool isCompleted = false;        
        private static void MySleep()
        {
            SpinWait.SpinUntil(() => isCompleted);
        }

SpinLock 结构

微软文档:提供一个相互排斥锁基元,在该基元中,尝试获取锁的线程将在重复检查的循环中等待,直至该锁变为可用为止。

SpinLock 称为自旋锁,适合用在频繁争用而且等待时间较短的场景。主要特征是避免了阻塞,不出现昂贵的上下文切换。

笔者水平有限,关于 SpinLock ,可以参考 https://www.c-sharpcorner.com/UploadFile/1d42da/spinlock-class-in-threading-C-Sharp/

另外,还记得 Monitor 嘛?SpinLock 跟 Monitor 比较像噢~https://www.cnblogs.com/whuanle/p/12722853.html#2monitor

在《C#多线程(10:读写锁)》中,我们介绍了 ReaderWriterLock 和 ReaderWriterLockSlim ,而 ReaderWriterLockSlim 内部依赖于 SpinLock,并且比 ReaderWriterLock 快了三倍。

属性和方法

SpinLock 常用属性和方法如下:

属性:

属性 说明
IsHeld 获取锁当前是否已由任何线程占用。
IsHeldByCurrentThread 获取锁是否已由当前线程占用。
IsThreadOwnerTrackingEnabled 获取是否已为此实例启用了线程所有权跟踪。

方法:

方法 说明
Enter(Boolean) 采用可靠的方式获取锁,这样,即使在方法调用中发生异常的情况下,都能采用可靠的方式检查 lockTaken 以确定是否已获取锁。
Exit() 释放锁。
Exit(Boolean) 释放锁。
TryEnter(Boolean) 尝试采用可靠的方式获取锁,这样,即使在方法调用中发生异常的情况下,都能采用可靠的方式检查 lockTaken 以确定是否已获取锁。
TryEnter(Int32, Boolean) 尝试采用可靠的方式获取锁,这样,即使在方法调用中发生异常的情况下,都能采用可靠的方式检查 lockTaken 以确定是否已获取锁。
TryEnter(TimeSpan, Boolean) 尝试采用可靠的方式获取锁,这样,即使在方法调用中发生异常的情况下,都能采用可靠的方式检查 lockTaken 以确定是否已获取锁。

示例

SpinLock 的模板如下:

        private static void DoWork()
        {
            SpinLock spinLock = new SpinLock();
            bool isGetLock = false;     // 是否已获得了锁
            try
            {
                spinLock.Enter(ref isGetLock);
                // 运算
            }
            finally
            {
                if (isGetLock)
                    spinLock.Exit();
            }
        }

这里就不写场景示例了。

需要注意的是, SpinLock 实例不能共享,也不能重复使用。

等待性能对比

大佬的文章,.NET 中的多种锁性能测试数据:http://kejser.org/synchronisation-in-net-part-3-spinlocks-and-interlocks/

这里我们简单测试一下阻塞和自旋的性能测试对比。

我们经常说,Thread.Sleep() 会发生上下文切换,出现比较大的性能损失。具体有多大呢?我们来测试一下。(以下运算都是在 Debug 下测试)

测试 Thread.Sleep(1)

        private static void DoWork()
        {
            Stopwatch watch = new Stopwatch();
            watch.Start();
            for (int i = 0; i < 1_0000; i++)
            {
                Thread.Sleep(1);
            }
            watch.Stop();
            Console.WriteLine(watch.ElapsedMilliseconds);
        }

笔者机器测试,结果大约 20018。Thread.Sleep(1) 减去等待的时间 10000 毫秒,那么进行 10000 次上下文切换需要花费 10000 毫秒,约每次 1 毫秒。

上面示例改成:

            for (int i = 0; i < 1_0000; i++)
            {
                Thread.Sleep(2);
            }

运算,发现结果为 30013,也说明了上下文切换,大约需要一毫秒。

改成 Thread.SpinWait(1000)

            for (int i = 0; i < 100_0000; i++)
            {
                Thread.SpinWait(1000);
            }

结果为 28876,说明自旋 1000 次,大约需要 0.03 毫秒。

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