C#多线程系列之线程等待
作者：痴者工良
前言
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/
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。
SpinWait 是结构体；Thread.SpinWait() 的原理就是 SpinWait 。
如果你想了解 Thread.SpinWait() 是怎么实现的，可以参考 https://www.tabsoverspaces.com/233735-how-is-thread-spinwait-actually-implemented
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.jb51.net/article/237307.htm
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。
到此这篇关于C#多线程系列之线程等待的文章就介绍到这了。希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持脚本之家。