.NET线程同步之Interlocked和ReadWrite锁

摘要: 本系列意在记录Windwos线程的相关知识点，包括线程基础、线程调度、线程同步、TLS、线程池等。

这篇来说说静态的Interlocked类和ReadWrite锁

.NET中的Interlocked

Interlocked的系列方法提供了对简单类型的原子操作（不会被打断的操作），因此这也是一种多线程共享变量，防止冲突争用的方法。

比如下面的方法作用是以原子的方式递增整数i：

除此之外还包括Add、Exchange、CompareExchange、Decrement、Read和其中的某些泛型版本。如果看官使用过windows API自带的Interlock系列函数，可能已经发现了：这里的Interlocked类应该只是封装了windows API的调用。在【Windows】线程漫谈——线程同步之原子访问中详细阐述了Interlocked系列函数的存在意义和使用方法，作为对比下面列出.NET版本和windows
API版本：

.NET	API	说明
Interlocked.Add	InterlockedExchangeAdd	对某个变量做加法
Interlocked.Increment	InterLockedIncrement	递增变量
Interlocked.Decrement	InterLockedDecrement	递减变量
Interlocked.Exchange	InterlockedExchange	对变量赋值
Interlocked.CompareExchange	InterlockedCompareExchange	对变量比较后赋值（参数1与参数3比较，如果相同，把参数2赋值给参数1）

此外，Windows API还提供InitializeSListHead/InterlockedPushEntrySList/InterlockedPopEntrySList/InterlockedFlushSList/QueryDepthSList来构建单链表栈，参见：《Windows核心编程》---Interlocked原子访问系列函数

对于Interlocked.CompareExchange，之前在园子里看到一篇关于单例的文章：著名的双检锁技术。文章大意是由于对象在通过new关键字创建时，可能会先将引用赋值给目标变量，再调用构造器，因此，在单例模式中的“双检测技术”可能会有隐含的bug。最后作者提出替代方案使用了Interlocked.CompareExchange，这里照搬过来了：

.NET中的ReaderWriterLock

有时对于共享资源应当区分读和写，因为读的时候往往是允许多线程同时读的，因为这不会造成混乱；而只有在需要写的时候才不允许其他线程读或者写。.NET的ReaderWriterLock和ReaderWriterLockSlim为我们提供了区分读和写的锁。这种方式在有些情况下通常比Monitor更高效。在MSDN中推荐使用的是ReaderWriterLockSlim类，其解释是ReaderWriterLockSlim用一种简单的规则处理递归调用以及更好的支持锁升级机制，而且能更好的避免死锁的发生，最后它比ReaderWriterLock更高效。由于两者十分相似，所以这里就对ReaderWriterLockSlim作个简单的讨论。

首先，应当尽量避免在同一个线程中多次对请求一个锁，典型的情况就是递归的调用，因为这往往容易死锁。因此，ReaderWriterLockSlim的默认无参构造函数是不允许递归的，当然你也可以设置允许递归：

对于ReaderWriterLockSlim锁，一个线程试图获取锁的时候分三种模式：

Read Mode：读模式，表示线程试图对共享资源进行读操作，而不会写。ReaderWriterLockSlim.EnterReadLock\ReaderWriterLockSlim.TryEnterReadLock
Write Mode：写模式，表示线程试图对共享资源进行写操作。ReaderWriterLockSlim.EnterWriteLock\ReaderWriterLockSlim.TryEnterWriteLock
Upgradeable Read Mode：读模式，但可能将来升级成写锁。ReaderWriterLockSlim.EnterUpgradeableReadLock\ReaderWriterLockSlim.TryEnterUpgradeableReadLock

在不考虑同一个线程递归请求锁的情况下：

同一时刻只能有一个线程获得写锁，在有线程获得写锁的时候，其他线程将无法获得任何类型的锁；
同一时刻只能有一个可升级的读锁，在有线程获得可升级读锁的时候，其他线程只能获得读锁；
同一时刻读锁可以被多个线程获得，除了上述两种情况；

读锁升级

同一时刻只能有一个线程获得可升级读锁，当获得可升级读锁的线程试图获得写锁的时候或可以调用EnterWriteLock，如果此时有线程没有释放写锁的话，EnterWriteLock会阻塞直到所有的读锁释放，同时试图获得读锁的线程也将阻塞（这里不用考虑写锁，因为既然可以获得可升级读锁，那么必然不存在写锁），这有点像“关门放狗”，关上门不让狗进来，而把已经在里面的狗放走。：）

请参考MSDN上的例子理解ReadWriterLockSlim：http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/system.threading.readerwriterlockslim.aspx

ReaderWriterLockSlim和Slim读/写锁

在【Windows】线程漫谈——线程同步之Slim读/写锁中介绍了Windows API提供的读写锁同步方式。下面的表格对两种API做了比较：

.NET	API	说明
ReaderWriterLockSlim构造	InitializeSRWLock
ReaderWriterLockSlim.EnterWriteLock	AcquireSRWLOckExclusive
ReaderWriterLockSlim.TryEnterWriteLock	--
ReaderWriterLockSlim.ExitWriteLock	ReleaseSRWLockExclusive
ReaderWriterLockSlim.EnterReadLock	AcquireSRWLockShared
ReaderWriterLockSlim.TryEnterReadLock	--
ReaderWriterLockSlim.ExitReadLock	ReleaseSRWLockShared
ReaderWriterLockSlim.EnterUpgradeableReadLock	--
ReaderWriterLockSlim.TryEnterUpgradeableReadLock	--
ReaderWriterLockSlim.ExitUpgradeableReadLock	--
--	CONDITION_VARIABLE	API提供了条件变量的支持
可以递归特性	--	.NET提供了递归

从上表中可以看到，.NET的版本具有以下特点：

提供对应的TryXXX方法
提供可升级写锁特性
提供可递归的特性

不提供条件变量的用法

劳动果实，转载请注明出处：/article/5007781.html

简单写了个小程序，比较了一下C#中各种Lock的速度（前提是都没有进入wait状态）。

各进入离开Lock 1kw次，结果如下：

Lock	Time (ms)
No lock	58
CriticalSection	726
Interlocked	344
Readerslim	1932
Writerslim	1513
Reader	3754
Writer	3430
Mutex	24998
Semaphore	24197
Event	22549

结论如下：

Interlocked可以直接编译为CPU指令，速度最快，虽然功能较少但能用则用。
CriticalSection（也就是lock关键字或者Monitor.Enter()方法）仅比Interlocked慢，建议使用。
对于ReaderWriterLock和ReaderWriterLockSlim，Slim快近一倍，但缺点是不能track owner，也就是同一线程不能多次进入同一个lock。Reader比Writer要慢，估计是要维护reader count的原因。
Mutex，Semaphore，Event即使可以获得lock也要进入内核模式，所以最慢，要尽量避免使用。