C#多線程系列之原子操作
知識點
競爭條件
當兩個或兩個以上的線程訪問共享數據，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享數據，叫做競爭條件。
數據爭用是競爭條件中的一種，出現競爭條件可能會導致內存(數據)損壞或者出現不確定性的行為。
線程同步
如果有 N 個線程都會執行某個操作，當一個線程正在執行這個操作時，其它線程都必須依次等待，這就是線程同步。
多線程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)是操作系統分配給每個正在運行的進程微觀上的一段 CPU 時間。
首先，內核會給每個進程分配相等的初始時間片，然後每個進程輪番地執行相應的時間，當所有進程都處於時間 片耗盡的狀態時，內核會重新為每個進程計算並分配時間片，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），也稱做進程切換或任務切換，是指 CPU 從一個進程或線程切換到另一個進程或線程。
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，會帶來性能損失。
請參考[https://zh.wikipedia.org/wiki/上下文交換
阻塞
阻塞狀態指線程處於等待狀態。當線程處於阻塞狀態時，會盡可能少占用 CPU 時間。
當線程從運行狀態(Runing)變為阻塞狀態時(WaitSleepJoin)，操作系統就會將此線程占用的 CPU 時間片分配給別的線程。當線程恢復運行狀態時(Runing)，操作系統會重新分配 CPU 時間片。
分配 CPU 時間片時，會出現上下文切換。
內核模式和用戶模式
隻有操作系統才能切換線程、掛起線程，因此阻塞線程是由操作系統處理的，這種方式被稱為內核模式(kernel-mode)。
Sleep()、Join() 等，都是使用內核模式來阻塞線程，實現線程同步(等待)。
內核模式實現線程等待時，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。
如果線程隻需要等待非常微小的時間，阻塞線程帶來的上下文切換代價會比較大，這時我們可以使用自旋，來實現線程同步，這一方法稱為用戶模式(user-mode)。
Interlocked 類
為多個線程共享的變量提供原子操作。
使用 Interlocked 類，可以在不阻塞線程(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量的值並存儲結果。 |
| Exchange() | 以原子操作的形式，設置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量的值並存儲結果。 |
| 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加載的值。 |
全部方法請查看：https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.threading.interlocked?view=netcore-3.1#methods
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，受多線程環境影響，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？
首先我們編寫以下代碼：
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 方法中調用：
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，要多線程同時執行呢？
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);
}
筆者運行一次，出現瞭 sum = 2633938
我們將每次運算的結果保存到數組中，截取其中一段發現：
8757 8758 8760 8760 8760 8761 8762 8763 8764 8765 8766 8766 8768 8769
多個線程使用同一個變量進行操作時，並不知道此變量已經在其它線程中發生改變，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，必須隻有一個線程能夠進行某個操作。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性能損失。
這時 Interlocked 就起作用瞭，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，目前我們學習到瞭 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);
}
}
然後運行，你會發現結果 sum = 5000000 ，這就對瞭。
說明 Interlocked 可以對簡單值類型進行原子操作。
Interlocked.Increment() 是遞增，而 Interlocked.Decrement() 是遞減。
3，Interlocked.Exchange()
Interlocked.Exchange() 實現賦值運算。
這個方法有多個重載，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() 也有對引用類型的重載：
Exchange<T>(T, T)
4，Interlocked.CompareExchange()
其中一個重載：
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 存儲在 location1中。 否則，不會執行任何操作。
看準瞭，是 location1 和 comparand 比較！
使用示例如下：
static void Main(string[] args)
{
int location1 = 1;
int value = 2;
int comparand = 3;
Console.WriteLine("運行前：");
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);
隻能對 int 或 long 有效。
回到第一小節的多線程求和問題，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加載的 64 位值。
64位系統上不需要 Read 方法，因為64位讀取操作已是原子操作。 在32位系統上，64位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#多線程系列之原子操作的文章就介紹到這瞭。希望對大傢的學習有所幫助，也希望大傢多多支持WalkonNet。