【C#進階系列】29 混合線程同步構造

上一章講了基元線程同步構造，而其它的線程同步構造都是基於這些基元線程同步構造的，並且一般都合併了用戶模式和內核模式構造，我們稱之為混合線程同步構造。

在沒有線程競爭時，混合線程提供了基於用戶模式構造所具備的性能優勢，而多個線程競爭一個構造時，混合線程通過基元內核模式的構造來提供不“自旋”的優勢。

那麼接下來就是個簡單的混合線程同步構造的例子，可與上一章最後的那些例子相比較：

 　　public class SimpleHybridLock : IDisposable {
        private Int32 m_waiters = 0;

        private AutoResetEvent m_waiterlock = new AutoResetEvent(false);//註意這裡是false

        public void Enter() {
            if (Interlocked.Increment(ref m_waiters)==1) {
                return;
            }
            m_waiterlock.WaitOne();
        }
        public void Leave() {
            if (Interlocked.Decrement(ref m_waiters) == 0) {
                return;
            }
            m_waiterlock.Set();
        }
        public void Dispose() {
            m_waiterlock.Dispose();
        }
    }

上面的例子學了上一張後看起來感覺很簡單就不講解了，只是一個簡單的，將Interlocked這種互鎖構造和自動重置事件構造AutoResetEvent 結合起來的，混合線程同步構造的例子。

上面混合鎖可以去加入自旋，當超過一定的自旋次數時再進行阻塞。也可以去加入互斥體的遞歸玩法，總之這個東西充滿了無限的可能。

.NET 框架類庫中的混合構造

總體而言，實際上就是對上面那個簡單例子的擴展，它們的目的都是為了使線程能儘可能不去進入內核模式，並且減少線程競爭時自旋的性能影響。

• ManualResetEventSlim類和SemaphoreSlim類
  • 翻譯過來就是手工重置事件簡化構造和信號量簡化構造
  • 發生第一次競爭時才進行內核模式構造，否則為用戶模式構造
  • 可傳遞超時值和CancellationToken，也就是取消啦，信號量那個還能進行非同步等待。
• Monitor類和同步塊
  • Monitor類是最常用的，支持遞歸，線程所有權和互斥
  • 然而這個類存在一些問題，容易引發BUG。因為它是一個靜態類，它的正確玩法在一定程度上和其它同步構造有所區別。
  • 堆中的每個對象都可以關聯一個叫同步塊的數據結構，它為內核對象，且擁有線程ID，遞歸計數，等待線程計數。而Monitor類的操作就涉及到這些同步塊的欄位。
  • 每個對象都有一個同步塊索引，而同步塊實際上是在CLR初始化的時候就創建的一個同步塊數組中。
  • 一個對象在構造時它的同步塊索引為-1，就是沒有關聯任何同步塊。而調用Monitor.Enter後CLR在同步塊數組中找到個空白同步塊，並設置對象的同步塊索引，讓它引用該同步塊。Exit當然就是取消關聯。
  • Monitor.Enter會傳一個對象進去，這個對象必須為所在函數的類的私有對象，而不能傳所在對象本身，這回讓這個鎖變成公共的。這樣就會引發很多問題。所以最好的方法就是傳遞一個私有的只讀對象。
  • 永遠不要講String，值類型和類型對象傳給Monitor.Enter。
  • 而C#有一個lock關鍵字提供的簡化語法就是基於Monitor的。而且其相當於在一個try finally結構上使用。首先不利於性能，其次還可能造成線程訪問損壞的狀態。所以作者建議杜絕使用lock語法。
  • LockToken變數預設false，只有在Enter調用後才為true，要是在Enter調用前Exit，可以考慮判斷LockToken,從而避免錯誤的Exit。
• ReaderWriterLockSlim類
  • 它的特點：
    • 一個線程向數據寫入時，請求訪問的其他所有線程都被阻塞
    • 一個線程從數據讀取時，請求讀取的其它線程允許繼續執行，但請求寫入的線程仍被阻塞。
    • 向線程寫入的線程結束後，要麼解除一個寫入線程的阻塞，使它能向數據寫入，要麼解除所有讀取線程的阻塞，使它們能併發讀取數據。如果沒有線程被阻塞，鎖就進入可以自由使用的狀態，可供下一個reader或writer線程獲取。
    • 從數據讀取所有線程結束後，一個writer線程被解除阻塞，使它能向數據寫入。如果沒有線程被阻塞，鎖就進入可以自由使用的狀態，可供下一個reader或writer線程獲取。
  •  根據以上特點有EnterReadLock和EnterWriteLock兩種玩法，兩種玩法跟之前的那些例子都類似，只是效果不同，這裡就不舉例了。

雖然提供了這麼多同步構造，且玩法也很多。但是最重要的還是一點：能儘量避免就避免阻塞線程，否則應儘量使用Volatile和Interlocked方法，因為它們速度快，然而這兩個只能操作簡單類型。

一定要阻塞，就可以使用Monitor類，也可以用ReaderWriterLockSlim類，雖然比Monitor慢，但是允許多個線程併發進行，提升了總體性能，減少阻塞線程的幾率。

用System.Lazy類或者System.Threading.LazyInitializer類去替代雙檢索玩法。

一句話解決這個點：

Lazy<String> s=new Lazy<String>(()=>DateTime.Now.ToLongTimeString(),true);

調用的話就用s.Value，實際上就是封裝了雙檢索，有些地方加了些優化。目的就是延時載入。

非同步鎖

其實叫非同步的同步構造，因為一般的同步構造都是用阻塞線程或者自旋來完成，而非同步鎖的目的就是為了不阻塞來玩。

SemaphoreSlim類的WaitAsync方法就是這個思路，信號量玩法而已。

而reader-writer語義的玩法是ConcurrentExclusiveSchedulerPair類。（當沒有ConcurrentScheduler任務時，使用ExclusiveScheduler為獨占式運行。沒有ExclusiveScheduler運行時，ConcurrentScheduler調度的任務可同時進行）

併發集合類

FCL自帶四個線程安全的集合類，全在System.Collections.Concurrent（Concurrent為併發的意思）命名空間中定義。

它們是ConcurrentQueue,ConcurrentStack,ComcurrentDictionary和ConcurrentBag。

所有這些都是“非阻塞“的。（實際上在ConcurrentQueue,ConcurrentStack和ConcurrentBag為空的時候還要提取數據，那麼提取數據的這個線程就會被阻塞）