并发编程 - 线程同步(三)之原子操作Interlocked简介

上一章我们了解了3种处理多线程中共享资源安全的方法,今天我们将更近一步,学习一种针对简单线程同步场景的解决方案------Interlocked。

在此之前我们先学习一个概念------原子操作。

01、原子操作

原子操作,其概念源于化学领域,原子是构成化学元素的普通物质的最小单位;原子也是化学变化中最小的粒子及元素化学性质的最小单位。

借鉴到编程语言中原子操作指:不可分割的操作单元,是指一类不可中断的操作,它在执行时要么全部执行,要么全部不执行,不会被其他操作打断,而执行结果要么全部成功,要不全部失败,没有其他状态。

我们再回忆一下我们学习线程同步的目的------确保多个线程在访问共享资源时能够按顺序、安全地进行操作 ,从而避免并发执行带来的数据竞争 和不一致的状态。

可以说原子操作天然的解决了多线程共享资源安全问题。

在C#语言中,Interlocked类提供了一系列可以进行原子操作的工具。

02、Interlocked实现原理

Interlocked的原子操作是基于CPU本身实现,是硬件级别的原子指令封装,并且它不需要显式的线程阻塞,因此比传统的锁机制(如互斥锁、信号量等)效率更高,尤其是在高并发的场景下。

线程阻塞是指操作系统把当前线程从运行状态变更为阻塞状态,并且操作系统会把当前线程占用的CPU时间片分配给其他线程,使当前线程尽可能少的占用CPU时间。在分配CPU时间片时会涉及上下文切换等操作。

因此Interlocked的非阻塞特性,严格意义上来说并不是锁,但是效率却比锁高得多。

另外如果一个方法在CPU层面上被设计为对立不可分割的指令,那么它本质上就是原子的,严格的原子性可以阻止任何抢占的可能。因此在32位CPU中,一个操作数的大小为32位,因此可以提供32位即4个字节大小及以内的数据类型(如int,float)进行读写的原子操作。同理64位CPU,则可以提供64位级8个字节大小及以内的数据类型(如long,double)进行读写的原子操作。

其实在上一章也举个一个例子,在32位CPU环境下操作long类型,多线程情况下会出现线程不完全问题,因为对于32位CPU,操作一次long类型数据至少需要两个原子指令,因此就会出现线程安全问题。

03、Interlocked常用方法

Interlocked方法从.NET Framework 1.1到目前最新的.NET 9也经历了长足的发展和完善。可以总结为:支持的操作类型在增加,操作能力也再增加,由早期的简单递增、递减、替换操作到现在的复杂位操作,内存屏障操作等。

下面我们先整体了解一下Interlocked有那些方法。

  • Read: 原子的读取64位值;

  • Increment: 原子的递增指定的变量,并返回递增后的新值;

  • Decrement: 原子的递减指定的变量,并返回递减后的新值;

  • Add: 原子的对两个变量求和,将第一个变量替换为两者和,并返回操作后第一个变量的新值;

  • Exchange: 原子的交换两个变量,并返回第一个变量的原始值;

  • Exchange
    :
    Exchange方法的泛型版本;

  • CompareExchange: 原子的比较第一个变量和第三个变量是否相等,如果相等,则将第一个变量替换为第二个变量值,并返回第一个变量的原始值;

  • CompareExchange
    :
    CompareExchange方法的泛型版本;

  • And: 原子的对两个变量进行按位与操作,将第一个变量替换为操作结果,并返回第一个变量的原始值;

  • Or: 原子的对两个变量进行按位或操作,将第一个变量替换为操作结果,并返回第一个变量的原始值;

  • MemoryBarrier: 强制执行内存屏障,作用范围当前线程,无返回值;

  • MemoryBarrierProcessWide: 提供进程范围的内存屏障,确保任何 CPU 的读取和写入无法跨屏障移动;

后面我们将详细讲解每个方法的如何使用。

注 :测试方法代码以及示例源码都已经上传至代码库,有兴趣的可以看看。https://gitee.com/hugogoos/Planner

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