深究用户模式锁的使用场景 (异变结构、互锁、旋转锁)

2022-11-30
湖南
本文字数：2614 字
阅读完需：约 9 分钟

一. 锁机制的背景介绍

　　本章节，将结合多线程来介绍锁机制，那么问题来了，什么是锁呢？为什么需要锁？为什么要结合多线程来介绍锁呢？锁的使用场景又是什么呢？ DotNet 中又有哪些锁呢？

　　在接下来的几个章节中，将陆续解答这些问题。

PS：
多个线程对一个共享资源进行使用的时候，会出问题, 比如实际的业务场景，入库和出库操作同时进行，库存量就会存在并发问题。所以锁就是用来解决多线程资源竞用的问题。
Net 领域中，锁机制非常多，比如：时间锁、信号量、互斥锁、读写锁、互锁、异变结构，主要我们可以把他们划分为三大类：
①.用户模式锁：就是通过一些 cpu 指令或者一个死循环,来达到达到线程的等待和休眠。
②.内核模式锁：就是调用 win32 底层的代码，来实现 thread 的各种操作。
③.混合锁：用户模式+内核模式

　　其中用户模式锁又分为这么几类：异变结构、互锁和旋转锁。

二. 异变结构

背景：一个线程读，一个线程写，在 release 模式下会出现 bug，导致主线程无法执行，原因在前面章节已经介绍过了。

　　方式一：利用 MemoryBarrier 方法进行处理。（前面章节已介绍）

　　方式二：利用 VolatileRead/Write 方法进行处理。 (前面章节已介绍)

　　方式三：volatile 关键字进行处理，我的 read 和 write 都是从 memrory 中读取，读取的都是最新的。（下面的案例使用 volatile 关键字后，主线程可以执行）

代码实践：

 1             public static volatile bool isStop = false; 2                 //使用Volatile关键字处理         3                 var t = new Thread(() => 4                 { 5                     var isSuccess = false; 6                     while (!isStop) 7                     { 8                         isSuccess = !isSuccess; 9                     }10                 });11                 t.Start();12                 Thread.Sleep(1000);13                 isStop = true;14                 t.Join();15                 Console.WriteLine("主线程执行结束！");16                 Console.ReadLine();

复制代码

代码结论：使用 volatile 关键字进行修饰，解决共享资源的竞用问题。

三. 互锁

　　互锁结构（Interlocked 类），常用的方法有：

　　　　* Increment：自增操作

　　　　* Decrement：自减操作

　　　　* Add：增加指定的值

　　　　* Exchange：赋值

　　　　* CompareExchange：比较赋值

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代码实践：

 1             { 2                 //1. 自增 3                 { 4                     int a = 1; 5                     Interlocked.Increment(ref a); 6                     Console.WriteLine("自增后的数据为:{0}", a); 7                 } 8                 //2. 自减 9                 {10                     int b = 2;11                     Interlocked.Decrement(ref b);12                     Console.WriteLine("自减后的数据为:{0}", b);13                 }14                 //3. 增加操作15                 {16                     int c = 3;17                     Interlocked.Add(ref c, 4);18                     Console.WriteLine("增加后的数据为:{0}", c);19 20                 }21                 //4. 赋值操作22                 {23                     int d = 4;24                     Interlocked.Exchange(ref d, 55);25                     Console.WriteLine("赋值后的数据为:{0}", d);26 27                 }28                 //5. 比较赋值29                 {30                     //Interlocked.CompareExchange(ref num1, sum, num2);  // num1==num2 ; num1=sum;31                     int ee = 5;32                     Interlocked.CompareExchange(ref ee, 15, 5);33                     Console.WriteLine("比较赋值后的数据为:{0}", ee);34 35                     Interlocked.CompareExchange(ref ee, 100, 15);36                     Console.WriteLine("比较赋值后的数据为:{0}", ee);37 38                 }39 40             }

复制代码

代码结果：

四. 旋转锁

　　旋转锁(SpinLock)，特殊的业务逻辑让 thread 在用户模式下进行自选，欺骗 cpu 当前 thread 正在运行中。

　SpinLock 类有两个核心方法，分别是：Enter 和 Exit 方法。

代码实践：

 1             { 2                 //下面代码的结果：num从0-249，且是有序的。 3                 //如果把旋转锁去掉，num将没有任何顺序 4                 for (int i = 0; i < 5; i++) 5                 { 6                     Task.Factory.StartNew(() => 7                     { 8                         for (int j = 0; j < 50; j++) 9                         {10                             try11                             {12                                 var b = false;13                                 sl.Enter(ref b);14                                 Console.WriteLine(num++);15                             }16                             catch (Exception ex)17                             {18                                 Console.WriteLine(ex.Message);19                             }20                             finally21                             {22                                 sl.Exit();23                             }24                         }25                     });26                 }27             }

复制代码

代码结果：下面代码的结果：num 从 0-249，且是有序的；如果将旋转锁的代码去掉，num 的输出将没有任何顺序可言。

原文链接：第十一节：深究用户模式锁的使用场景(异变结构、互锁、旋转锁) - Yaopengfei - 博客园

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