C# 中的那些锁，在内核态都是怎么保证同步的？

一：背景

1. 讲故事

其实这个问题是前段时间有位朋友咨询我的，由于问题说的比较泛，不便作答，但想想梳理一下还是能回答一些的，这篇就来聊一聊下面这几个锁。

Interlocked
AutoResetEvent / ManualResetEvent
Semaphore

用户态层面我就不想说了，网上一搜一大把，我们只聊一聊内核态。

二：锁玩法介绍

1. Interlocked

从各种教科书上就可以知道，这个锁非常轻量级，也是各种高手善用的一把锁，为了方便说明，先上一段代码。


    internal class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            int location = 1;
            Interlocked.Increment(ref location);
            Console.WriteLine(location);
            Debugger.Break();
            Interlocked.Increment(ref location);
            Console.WriteLine(location);
            Console.ReadLine();
        }
    }

这里我们在第二处 Interlocked.Increment(ref location); 下一个断点，目的是因为此时的 Increment 函数是 JIT 编译后的方法，接下来我们在 WinDbg 中单步调试，会看到如下汇编指令。


0:000> bp 00007ff8`f6d4298e
0:000> g
Breakpoint 0 hit
ConsoleApp2!ConsoleApp2.Program.Main+0x4e:
00007ff8`f6d4298e e84550ffff      call    00007ff8`f6d379d8
0:000> t
00007ff8`f6d379d8 e9439a7e5a      jmp     System_Private_CoreLib!System.Int32 System.Threading.Interlocked::Increment(System.Int32&)$##6002C3E (00007ff9`51521420)
0:000> t
System_Private_CoreLib!System.Threading.Interlocked.Increment:
00007ff9`51521420 b801000000      mov     eax,1
0:000> t
System_Private_CoreLib!System.Threading.Interlocked.Increment+0x5:
00007ff9`51521425 f00fc101        lock xadd dword ptr [rcx],eax ds:00000000`001ceb68=00000002

看到上面的 lock xadd 了吗？原来 Interlocked 类是借助了 CPU 提供的锁机制来解决线程同步的，很显然这种级别的锁相比其他方式的锁性能伤害最小。

2. AutoResetEvent,ManualResetEvent

大家都知道这种锁的名字叫 事件锁，其实在 Windows 上使用场景特别广，就连监视锁(Monitor) 底层也是用的这种事件锁, 不得不感叹其威力无穷！而且代码注释中也说了，也就两种状态： 有信号 和 无信号 ，言外之意就是在内核中用了一个 bool 变量来表示，为了能看到这个 bool 值，我们上一个案例。


    internal class Program
    {
        static ManualResetEvent mre = new ManualResetEvent(true);
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("handle=" + mre.Handle.ToString("x"));
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                mre.Reset();
                Console.WriteLine($"{i}:当前为阻塞模式，请观察");
                Console.ReadLine();
                mre.Set();
                Console.WriteLine($"{i}:当前为畅通模式，请观察");
                Console.ReadLine();
            }
            Console.ReadLine();
        }
    }

为了找到 handle=23c 所对应的内核地址，可以借助 Process Explorer 工具，截图如下：

接下来启动 WinDbg 双机调试，看下内核态上 ffffe00155522220 内存位置的内容。


0: kd> dp 0xFFFFE00155522220 L1
ffffe001`55522220  00000000`00060000

在控制台上将 ManualResetEvent 设为有信号模式，再次观察这块内存。


1: kd> dp 0xFFFFE00155522220 L1
ffffe001`55522220  00000001`00060000

大家可以仔细试试看，会发现 ffffe00155522220+0x4 的位置一直都是 0，1 之间的切换，可以推测此时是一个 bool 类型。

有些朋友很好奇，能不能观察看到它的调用栈呢？肯定是可以的，我们使用 ba 下一个硬件断点，观察下它的用户态和内核态栈。


1: kd> ba w4 0xFFFFE00155522220+0x4
1: kd> g
Breakpoint 0 hit
nt!KeResetEvent+0x32:
fffff802`f8c3e752 f081237fffffff  lock and dword ptr [rbx],0FFFFFF7Fh
0: kd> k
 # Child-SP          RetAddr               Call Site
00 ffffd000`ac0cea90 fffff802`f910ebd0     nt!KeResetEvent+0x32
01 ffffd000`ac0ceac0 fffff802`f8d59b63     nt!NtClearEvent+0x50
02 ffffd000`ac0ceb00 00007fff`d8963c0a     nt!KiSystemServiceCopyEnd+0x13
03 000000c9`10ece4d8 00007fff`d5e0057a     ntdll!NtClearEvent+0xa
04 000000c9`10ece4e0 00007fff`b88fba05     KERNELBASE!ResetEvent+0xa
05 000000c9`10ece510 00000000`00000000     System_Private_CoreLib!System.Boolean Interop+Kernel32::ResetEvent(Microsoft.Win32.SafeHandles.SafeWaitHandle)$##60000B0+0x65
...

从代码中可以看到，命中的是 KeResetEvent 函数，也就是我们用户态代码的 mre.Reset(); 函数，如果大家感兴趣，可以挖一下它的汇编代码，很清楚的看到这个方法中有一些 lock 语句，所以性能上会所有下降哈。

3. Semaphore

要说 Event 事件锁维护的是 bool 变量，那 Semaphore 就属于 int 变量了，为了方便说明继续上一个例子，观察方式和 Event 基本一致。


    internal class Program
    {
        static Semaphore semaphore = new Semaphore(10, 20);
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("handle=" + semaphore.Handle.ToString("x"));
            for (int i = 0; i < 100; i++)
            {
                semaphore.WaitOne();
                Console.WriteLine($"{i}:已减少 1，请观察");
                Console.ReadLine();
            }
            Console.ReadLine();
        }
    }

接下来用 WinDbg 进入到本机内核态观察 handle=270 所对应的内核地址 0xFFFFB58FEA1B1190。

从图中可以非常清楚的看到这里的数字在不断的减小，其实想也能想到，少不了一些 CPU 级 lock 锁在里面。