有关多线程环境下的Volatile、lock、Interlocked和Synchronized们

news2024/9/21 14:46:24

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📢本文作者：由webmote 原创
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序言

多线程下的变量访问，就如同脚踏几只船的海王，在其精细的时间管理下安排每一个女朋友约会，一不小心，就很可能打翻友谊的小船，彻底坠入无尽的大海深处…

而为了让各位亲爱的猿们，在约会对象之间横跳的时候，能优雅的控制住频率，编程语言引入了多个关键字和对象类完成相关操作。

让我们逐个看看，这些概念都能完成什么样的奇葩事件吧！

1. Volatile 修饰符关键字

volatile 关键字通常被用来表示一个字段的值很可能被多个线程修改，因此在编译器（VS）编译时不要进行优化，也不被缓存在编译器或硬件寄存器里。

volatile 关键字，确保每次读取和写入时，其值都是直接从内存中拿出来的，避免任何的优化和缓存。

被volatile 关键字标识的信息，就如同海王的A女友信息，每次海王想知道A女友的信息时，都显示的是A的最新信息，而不是从其他人打探的过时信息。有了第一手的信息，才能最大程度的避免不慎翻船。

让我们来个模拟例子吧，由于编译器的优化，准备这个例子着实不易。

//让我们在.net6下测试下...
Console.WriteLine("开始测试...");
var test = new Test();
new Thread(delegate () { Thread.Sleep(500); test.foo = 255; }).Start();
while (test.foo != 255) ;
Console.WriteLine("不好了，A女友正在抵达战场!");
Console.ReadLine();

public class Test
{
    public int foo = 0;
}

如果你运行在Debug版本下，这时候你是可以收到A女友的抵达信息的。但是一旦你发布成Release，这个时候，命运的齿轮开始转动，你忽然收不到重要的抵达信息了，随着时间滴答滴答流动，危险的气息扑面而至。

你也试试看，切换到Release版本，按Ctrl+F5, 界面如下：

在这里插入图片描述
这个时候，volatile关键字的重要性就体现出来了，我们修改下如下信息：

public class Test
{
    public volatile int foo = 0;
}

在这里插入图片描述
看吧，一个volatile，就救了你一条命。

volatile的使用注意事项：

volatile关键字通常用于多线程应用程序中，用于处理由多个线程同时访问的共享字段。
volatile不用于同步;它仅确保单个读取和写入操作的可见性和原子性。如果需要同步来强制执行顺序或互斥，请考虑使用其他同步机制，如lock,Monitor,Semaphore 。
在多线程方案中处理共享数据时，通常建议使用lock 关键字或其他原子操作类，因为仅使用volatile关键字可能不足以满足复杂的同步要求。
volatile`关键字用于字段修饰，一般常用的是整型、布尔、指针，当然还有引用类型（一般指地址）

一般关闭线程的布尔值是最佳使用场景。

单例的双重检查锁场景也是有用的，例如：

public class Singleton {
private static volatile Singleton _instance = null; 
private static Object _locker = new Object();
public static Singleton GetSingleValue()
{
   if (_instance == null)
   {
       lock(_locker)
       {
          if (_instance == null)
          { _ instance = new Singleton(); }
       }
   }
   return _ instance;
}

当然，有更简单的写法，那就是利用Lazy类

public class Singleton
{
     private static readonly Lazy<Singleton> _instance
         = new Lazy<Singleton>(() => new Singleton());
    private Singleton()
    {
    }
     public static Singleton Instance
     {
         get
         {
             return _instance.Value;
         }
     }
}

2. Lock 锁，锁住要锁的人

锁lock，是最好用的保护机制之一了。锁住资源，让其他线程都在后面排队，这样就不会撞到一块了。

在这里插入图片描述
话说，海王的日程表，必须有锁，没有锁的海王都死翘翘了。

这里是个简单的例子：

private object mylock = new object();

public int A {

  get {
    int result;
    lock(mylock) {
    result = mA; 
    }
    return result;
  } 

  set { 
     lock(mylock) { 
        mA = value; 
     }
  }
}

作为演示，这个例子足够简单；作为深度学习，这个例子并不好。

大部分类的属性都不需要lock操作，使用 public DateTime CreatedTime{get;set;}就已经足够了。因为基础类型都是原子操作的，因此没必要去锁定，除非你在get，set里有更复杂的操作。

因此，大可不必都增加上lock，如果是多个线程访问，那么不妨增加上 volatile，当然，属性没法直接增加,有需要多写代码了。

3.Interlocked 非锁的原子操作

锁是独一无二的，那么对于时间管理大师们，来说，这并不是好消息。

那么有什么其他办法，既能满足大师们同时多个骚操作，又能正常而及时的得到通知呢？那就不得不提Interlocked 了，经济实惠，的确是居家旅行必备良词。

public class NuclearPowerPlant
{
	private long _meltdownIsHappening = 0;
	public bool MeltdownIsHappeningRightNow 
	{
		get
		{
			/* 锁定操作仅仅支持整型，那么我们使用它替换布尔。
			 */
			return Interlocked.Read(ref _meltdownIsHappening) == 1;
		}
		set
		{
			Interlocked.Exchange(ref _meltdownIsHappening, Convert.ToInt64(value));
		}
	}
}

这效率，嘎嘎的高。

注意 Interlocked.Increment(ref this.counter); 在实现上，等同于lock(this.locker) this. Counter++;,不过效率吗，那是翻了几倍。可惜的是好东西总有限制。Interlocked仅仅支持整数类型。

4. Synchronized 同步操作

Synchronized 关键字，总有点像从哪里抄过来的，因此，这个用法并不常见。
不过它的含义倒是很清晰，就是同一时刻仅允许一个线程访问。

代码如下：

public class Test
{
    public volatile int foo = 0;

    [MethodImpl(MethodImplOptions.Synchronized)]
    public int Add(int a)
    {
        return foo + a;
    }
}