并发编程产生的根本原因和C#怎么处理并发问题？

前言

对于现在很多编程语言来说，多线程已经得到了很好的支持，

以至于我们写多线程程序简单，但是一旦遇到并发产生的问题就会各种尝试。

因为不是明白为什么会产生并发问题，并发问题的根本原因是什么。

接下来就让我们来走近一点并发产生的那些问题。

猜猜是多少？

 public class ThreadTest_V0
    {
        public int count = 0;
        public void Add1()
        {
            int index = 0;
            while (index++ < 1000000)//100万次
            {
                ++count;
            }
        }

        public void Add2()
        {
            int index = 0;
            while (index++ < 1000000)//100万次
            {
                count++;
            }
        }
    }

结果是多少？

static void V0()
        {
            ThreadTest_V0 testV0 = new ThreadTest_V0();
            Thread th1 = new Thread(testV0.Add1);
            Thread th2 = new Thread(testV0.Add2);

            th1.Start();
            th2.Start();
            th1.Join();
            th2.Join();

            Console.WriteLine($"V0：count = {testV0.count}");
        }

答案：100万 到 200万之间的随机数。

为什么？

接下来我们去深入了解一下为什么会这样？

一、可见性

首先我们来到 “可见性” 这个陌生的词汇身边。

通过一番交谈了解到：

对可见性进行一下总结就是我改的东西你能同时看到。

1.1 背景

解读一下呢，就像下面这样：

CPU 内存 硬盘 ，处理速度上存在很大的差距，为了弥补这种差距，也是为了利用CPU强大计算能力。

CPU 和内存之前加入了缓存，就是我们经常听说的 寄存器缓存、L1、2、3级缓存。

应该的处理流程是这样的：读取内存数据，缓存到CPU缓存中，CPU进行计算后，从CPU缓存中写回内存。

1.2 线程切换

还有一点 我们都知道多线程其实是通过切换时间片来达到 “同时” 处理问题的假象。

线程切换

1.3 单核时代

你也发现了，对于单核来说，程序其实还是串行开发的。

单核CPU

就像是 “一个人” ，东干点，西干点，如果切换频率上再快点速度，比我们的眨眼时间还短呢？那…… 接下来，我们进入了多核时代。

1.4多核时代

顾名思义，多个CPU，也就是每个CPU核心都有自己的缓存体系，但是内存只有一份。

比如CPU就是我么们的本地缓存，而内存相当于数据库。

我们每个人的本地缓存极有可能是不一样的，如果我们拿着这些缓存直接做一些业务计算，

结果可想而知，多核时代，多线程并发也会有这样的问题 — CPU缓存的数据不一样咋办？

多核CPU

1.5 volatile

这是CLR 为我们提出的解决方案，就是在遇到可见性引发的并发问题时，使用 volatile 关键字。

就是告诉 CPU，我不想用你的缓存，所有的请求都直接读写内存。

一句话，就是禁用缓存。

看上去这样就能解决并发问题了吧？也不全是，还有下面这种枪情况。

二、有序性

字面意义就是有顺序，那么是什么有顺序呢？-- 代码

代码其实并不是我们所写的那样一五一十地执行，以C# 为例：

代码 --> IL --> Jit --> cpu 指令

代码 通过编译器的优化生成了IL

CPU也会根据自己的优化重新排列指令顺序

至少两个点会有存在调整 代码顺序/指令顺序的可能。

2.1 猜猜 Debug和Release 运行结果各是多少

public class VolatileTest
    {
        public int falg = 0;
    }
static void VolatileTest()
        {
            VolatileTest volatiler = new VolatileTest();

            new Thread(
               p =>
               {
                   Thread.Sleep(1000);
                   volatiler.falg = 255;
               }).Start();

            while (true)
            {
                if (volatiler.falg == 255)
                {
                    break;
                }
            };

            Console.WriteLine("OK");
        }

主线程一直自旋，直到子线程将值改变就退出，显示 “OK”

• Debug 版本，执行结果：

Debug

• Release 版本，执行结果：

Release

为什么会这样，因为我们的代码会经过编译器优化，CPU指令优化，

语句的顺序会发生改变，但是这样也是这种离奇bug产生的一种方式。

怎么避免它？

2.2 volatile

没错，依然是它，不仅仅是禁用cpu缓存，而且还能禁止指令和编译优化。

至少上面的那个例子我们可以再试试：

public class VolatileTest
    {
        public volatile int falg = 0;
    }

volatile 发布版

到这里应该就可以了吧，volatile 真好用，一个关键字就搞定。

正如你所想，依然没有结束。

三、原子性

我们平时经常遇到要给一段代码区域加上锁，比如这样：

lock (lockObj)
                {
                    count++;
                }

我么们为什么要加锁呢？你说为了线程同步，为什么加锁就能保证线程同步而不是其他方式？

3.1count++

说到这里，我们需要再了解一个问题：count++

我们经常写这样的代码，那么count++ 最终转换成cpu指令会是什么样子呢？

指令1： 从内存中读取 count

指令2：将 count +1

指令3：将新计算的count值，写回内存

我们将这个count++ 操作和线程切换进行结合

count++ 线程切换

这里才是真正解答了最开始为什么是 100万到200之间的随机数。

解决 原子性问题的方法有很多，比如锁

3.2 lock

加锁这个代码我就暂且忽略，因为lock我们并不陌生。

但是需要明白一点，lock() 是微软提供给我们的语法糖，其实最终使用的是 Monitor,并且做了异常和资源处理。

lock

CLR 锁原理

多个线程访问同一个实例下的共享变量，同时将同步块索引从 -1 改成CLR维护的同步块数组，

用完就会将实例的同步快变成-1

3.3 Monitor

上面提到了隐姓埋名的Monitor，其实我们也可以抛头露面地使用Monitor

这里也不具体细说。具体使用可以参照上面图片。

3.4 System.Threading.Interlocked

官方定义：原子性的简单操作，累加值，改变值等

区区 count++ 使用lock 有点浪费，我们使用更加轻量级的 Interlocked，

为我们的 count ++ 保驾护航。

public class ThreadTest_V3
    {
        public volatile int count = 0;
        public void Add1()
        {
            int index = 0;
            while (index++ < 1000000)//100万次
            {
                Interlocked.Add(ref count, 1);
            }
        }

        public void Add2()
        {
            int index = 0;
            while (index++ < 1000000)//100万次
            {
                Interlocked.Add(ref count, 1);
            }
        }
    }

结果不多说，依然稳稳的 200万。

3.5 System.Threading.SpinLock结构

自旋锁结构，可以这样理解。

多线程访问共享资源时，只有一个线程可以拿到锁，其他线程都在原地等待，

直到这个锁被释放，原地等待的资源又一次进行抢占，以此类推。

在具体使用 System.Threading.SpinLock结构 之前，我们根据刚刚讲过的 System.Threading.Interlocked，进行一下改造：

public struct Spin
    {
        private int m_lock;//0=unlock ,1=lock
        public void Enter()
        {
            while (System.Threading.Interlocked.Exchange(ref m_lock, 1) != 0)
            {
                //可以限制自旋次数和时间，自动断开退出
            }
        }

        public void Exit()
        {
            System.Threading.Interlocked.Exchange(ref m_lock, 0);
        }
    }
public class ThreadTest_V4
    {
        private Spin spin = new Spin();
        public volatile int count = 0;
        public void Add1()
        {
            int index = 0;
            while (index++ < 1000000)//100万次
            {
                spin.Enter();
                count++;
                spin.Exit();
            }
        }

        public void Add2()
        {
            int index = 0;
            while (index++ < 1000000)//100万次
            {
                spin.Enter();
                count++;
                spin.Exit();
            }
        }
    }

Enter() , m_lock 从0到1，就是加锁；

锁的是共享资源 count;

其他线程原地自旋等待（循环）

Exit()，m_lock 从1到0，就是解锁；

System.Threading.SpinLock 结构和以上实现思想类似。

后面的内容就简单提一下定义和应用场景，有必要的就可以单独细查。

3.6 System.Threading.SpinWait结构

提供了基于自旋等待支援。
在线程必须等待发出事件信号或满足条件时方可使用.

3.7 System.Threading.ReaderWriterLockSlim类

授予独占访问共享资源的写作，
并允许多个线程同时访问资源进行读取。

3.8 CAS

cas 核心思想：
将 count 从内存读取出来并赋值给一个局部变量，叫做 originalData;

然后这个局部变量 +1 并赋值给新值，叫做 newData;

再次从内存中将count读取出来，如果originalData ==count，

说明没有线程修改内存中count值，可以将新值存储到内存中。

反之则可以选择自旋或者其他策略。

当然还有进程之间的同步，这里就不一一展开说了。
总结一下：
并发三要素 可见性、有序性、原子性

几种锁原理和CAS操作