C#学习笔记之线程 - 高级主题：非阻塞同步

非阻塞同步 - Nonblock Synchronization

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前面提到，即使在简单的赋值和增加一个字段的情况下也需要处理同步。尽管，使用锁可以完成这个功能，但是锁必定会阻塞线程，需要线程切换，在高并发的场景中，这使非常关键的。.NET框架的非阻塞同步能够执行简单的操作而不需要阻塞，暂停或等待。

编写非阻塞或无锁的多线程代码是一种技巧。内存屏障很容易出错（volatile关键字更容易出错）。仔细想一想，在你不使用锁之前，你是否真的需要这些性能。毕竟，获取和释放一个不竞争的锁还不需20ns。

非阻塞方法也可以跨进程。在读写进程间共享内存时可能有用。

内存屏障和Volatility

想一想下面的代码：

class Foo
{
  int _answer;
  bool _complete;
  void A()
  {
    _answer = ;
    _complete = true;
  }
  void B()
  {
    if (_complete) Console.WriteLine (_answer);
  }
} 

如果A和B同时运行在不同的线程上，B是否有可能输入0？答案是Yes--因为以下2个原因：

• 编译器，CLR或CPU可能为了改善效率重新排序了程序指令。
• 编译器，CLR或CPU可能引入了cache来优化变量的赋值，但是其它线程不能立即看到。

C#和CLR非常小心地确保这样的优化不会打断普通的单线程代码--或者正确使用锁的多线程代码。这些场景之外，你必须显式地通过创建内存屏障来击败这些优化，确保限制指令的重新排序和读写缓存的影响。

完全内存屏障 full memory barrier （full fence）

最简单的内存屏障是完全内存屏障，阻止任何对指令的排序和缓存。调用Thread.MemoryBarrier产生一个完全内存屏障，我们可以通过full fence来解决这个问题：

class Foo
{
  int _answer;
  bool _complete;
  void A()
  {
    _answer = ;
    Thread.MemoryBarrier();    // Barrier 1
 　　_complete = true;
    Thread.MemoryBarrier();    // Barrier 2
  }
  void B()
  {
    Thread.MemoryBarrier();    // Barrier 3
    if (_complete)
    {
      Thread.MemoryBarrier();       // Barrier 4
      Console.WriteLine (_answer);
    }
  }
} 

Barrier1和4阻止写“0”。Barrier2和3保证：如果B在A之后运行，_complete肯定是true。一个full fence只需10ns。

下面隐式地产生了full fences：

• C#的lock语句（Montor.Enter/Montor.Exit）
• Interlocked类的所有方法
• 使用线程池的异步回调--包含异步委托，APM回调和Task
• Set和等待Signal
• 任何依赖于Signal的东西，如在Task上开始或等待的事情。下面的代码是线程安全的：

int x=;
Task t = Task.Factory.StartNew(()=>x++);
t.Wait();
Console.WriteLine(x);

不必为每一个读写都使用full fence。如果你3个answer字段，我们也只需4个fences：

class Foo
{
  int _answer1, _answer2, _answer3;
  bool _complete;
  void A()
  {
    _answer1 = ; _answer2 = ; _answer3 = ;
    Thread.MemoryBarrier();
    _complete = true;
    Thread.MemoryBarrier();
  }
  void B()
  {
    Thread.MemoryBarrier();
    if (_complete)
    {
      Thread.MemoryBarrier();
      Console.WriteLine (_answer1 + _answer2 + _answer3);
    }
  }
} 

一个好的方法是在读写每一个共享字段前后都加上内存屏障，跳过你不需要的。如果你不确定，随他去。更好的办法是：使用锁。

确实需要Lock和内存屏障吗？

与没有加锁或内存屏障的共享写字段工作是自找麻烦。这里有大量的误用--包括MSND对于MemoryBarrier的文档，它说仅在多盒处理器，如有多个Itanium处理器的系统中才要求MemoryBarrier。我们演示的例子揭示了内存屏障在Interl core-2处理器上的重要性。你需要优化它并不能在debug模式下（在Visual Studio中选择Release，并且以非debug方式启动）。

static void Main()
{
  bool complete = false;
  var t = new Thread (() =>
  {
    bool toggle = false;
    while (!complete) toggle = !toggle;
  });
  t.Start();
  Thread.Sleep ();
  complete = true;
  t.Join();        // Blocks indefinitely
} 

这个程序不会终止，因为complete变量被缓存在CPU的寄存器中。在while循环中插入一个MemoryBarrier（或者围绕读complete加锁）可以解决这个问题。

关键字volatile

另外一个解决这个问题的方法是对complete使用volatile关键字。volatile bool complete；

关键字volatile指示编译器在每次读这个字段时产生一个获取屏障，并在每次写字段时释放屏障。一个获取屏障在屏障之前阻止其它读写被移动；释放屏障阻止在屏障之后其它读写被移动。这些半屏障比full fence更快。

到目前为止，Intel的X86和X64处理器总是使用获取屏障来读及写后释放屏障--不管你是否使用volatile关键字--所以这个关键字对于正在使用这些处理器人没有任何影响。但是，volatile在编译器和CLR上执行优化有影响，64位的AMD和Itanium处理器也有影响。这意味着你不会更轻松，因为你的程序运行在不同的处理器上。

如果你使用volatile，那么说明你渴望你的程序更加健康。

对字段使用volatile的影响概括如下：

First instruction	Second instruction	Can they be swapped?
Read	Read	No
Read	Write	No
Write	Write	No (The CLR ensures that write-write operations are never swapped, even without the volatile keyword
Write	Read	Yes

可以看出volatile并不阻止写紧接着读可以被交换，这就像脑筋急转弯。Joe Duffy用下面的例子很好的演示了这个问题：如果Test1和Test2同时运行在不同的线程上，a和b结束时同时为0这是可能的（不管你是否对x和y使用volatile）。

class IfYouThinkYouUnderstandVolatile
{
  volatile int x, y;
  void Test1()        // Executed on one thread
  {
    x = ;            // Volatile write (release-fence)
    int a = y;        // Volatile read (acquire-fence)
    ...
  }
  void Test2()        // Executed on another thread
  {
    y = ;            // Volatile write (release-fence)
    int b = x;        // Volatile read (acquire-fence)
    ...
  }
} 

MSDN上说使用volatile关键字可以确保任何时候它的值是最新的。这是不正确的，因为我们已经看到写紧接着读是可能重新排序的。

这强烈说明应该避免使用volatile：即使你理解这个例子的细节，其它开发者呢？在每个赋值语句中使用完成内存屏障或锁可以解决这个问题。

volatile并不支持通过引用传递给参数或局部变量：这些情况应该使用volatileRead和VolatileWrite函数。

VolatileRead和VolatileWrite

这2个方法是Thread的静态方法来读写一个变量，被volatile关键字强迫保证。它们的实现也相对低效，实际上它们是通过full fence来实现的。下面是对integer类型完整实现：

public static void VolatileWrite(ref in address, int value)
{
    MemoryBarrier();address=value;
}
public static void VolatileRead(ref int address)
{
    int num =address; MemoryBarrier();return num;
}

从中可以看出，如果你使用VolatileWrite紧接着调用VolatileRead，那么在两者之间没有屏障：前面的问题又出现了。

内存屏障和锁 - Memory barrier & lock

前面提到，Monitor.Enter和Monitor.Exit都产生了完全屏障。所以如果我们忽略锁的排斥保证，那么可以这么认为：

lock(someField){...}等价于Thread.MemoryBarrier();{...}Thread.MemoryBarrier();

Interlocked

在一个不使用锁的代码中只用内存屏障是不够的。在64位的字段上的自增或自减要求使用Interlocked类。Interlocked类也提供了Exchange和CompareExchange方法，后者不用锁，能读-修改-写操作，而不需要额外的代码。

如果一个语句在处理器上作为一个指令执行那么它就是原子的。严格的原子性排除了任何被抢占的可能性。一个32位字段的读写或者小于总是原子操作的。64位的字段在64位的运行时环境中也是原子的，超过一个读写操作的语句不是原子的。

class Atomicity
{
　　static int _x, _y;
　　static long _z;
　　static void Test()
　　{
　　　　long myLocal;
　　　　_x = 3; // Atomic
　　　　_z = 3; // Nonatomic on 32-bit environs (_z is 64 bits)
　　　　myLocal = _z; // Nonatomic on 32-bit environs (_z is 64 bits)
　　　　_y += _x; // Nonatomic (read AND write operation)
　　　　_x++; // Nonatomic (read AND write operation)
　　}
}

读写一个64位的字段在32位环境中是非原子的，因为这要求2条指令：每个32位内存位置1条。所以，如果当Y线程正在更新它，而线程X正在读取，那么X线程可能读到不正确的值。

编译器实现一个二元运算x++，是通过读取变量，处理它并写回来实现的。

下面的例子：

class ThreadUnsafe

{

　　static int _x=1000;

　　static void Go(){for(int i=0;i<100;i++)_x--;}

}

把内存屏障放在一边，你可能预期如果10个线程同时运行Go，_x可能最后是0。然而，这是不保证的，因为这里有一个竞争条件：其它线程可能在当前线程找回x的当前值，递增它并写回这个过程中抢占（导致它的值不是最新的）。

当然，你可以用lock来封装这些非原子代码来解决这个问题。Interlocked为这些简单的操作提供了一个更简单，更快的解决方案。

Interlocked的数学运算仅限于Increment，Decrement和Add。如果你想要乘法或除法运算，你可以在不使用锁的代码中使用CompareExchange来完成（通常与自旋等待连用）。

操作系统和虚拟机知道Interlocked需要原子性操作。

Interlocked这类函数大概需要10ns的时间--大概是无竞争lock的一半时间。而且，它们从来没有由于阻塞而切换上下文的花费。在一个循环内部使用Interlocked可能比围绕循环加锁更加低效。