C# Interlocked 类使用详解

总目录

前言

在多线程编程中，确保多个线程对共享资源的安全访问是一个关键挑战。C# 提供了多种同步机制来处理并发问题，其中 System.Threading.Interlocked 类提供了一种轻量级的方法来进行原子操作。它允许您执行一些常见的增量、减量、交换等操作，并保证这些操作是线程安全的，即在同一时刻只有一个线程可以修改共享数据。

一、Interlocked 相关概念介绍

1. 原子操作

1）定义

原子操作指的是那些在执行过程中不可被中断的操作。也就是说，一旦原子操作开始执行，它会在不被其他线程干扰的情况下完整执行完毕，要么全部执行成功，要么全部不执行，不会出现执行到一半被其他线程打断的情况。在多线程环境下，原子操作能够保证数据的一致性和完整性。

2）原理

原子操作的实现通常依赖于硬件层面的支持。现代 CPU 提供了一些特殊的指令，例如比较并交换（Compare - And - Swap, CAS）指令。这些指令可以在一个时钟周期内完成对内存的读取、比较和写入操作，并且在执行过程中不会被其他 CPU 核心的操作打断。Interlocked 类就是利用这些硬件指令来实现原子操作的，它会调用底层的 CPU 指令，确保操作的原子性。

3）作用

在多线程环境中，多个线程可能同时访问和修改共享资源。如果没有适当的同步机制，就可能出现数据竞争的问题，导致数据不一致或程序出现不可预期的结果。原子操作可以避免这种情况的发生，因为它保证了对共享资源的操作是线程安全的。例如，多个线程同时对一个共享的计数器进行递增操作，如果不使用原子操作，可能会出现多个线程同时读取到相同的计数器值，然后各自加 1 后写回，最终导致计数器的值增加的结果不符合预期。而使用原子操作，就能确保每次递增操作都是独立且完整的。

2. 数据竞争

1）定义

数据竞争指的是在多线程环境中，两个或多个线程同时访问共享数据，并且至少有一个线程对该共享数据进行写操作，同时又没有使用合适的同步机制来协调这些访问，从而导致数据的不一致性或程序产生不可预期的结果。

2）原因

线程调度的不确定性：操作系统负责线程的调度，它会根据自身的调度算法在不同线程之间切换执行。这就使得多个线程对共享数据的访问顺序变得不可预测，可能会出现一个线程正在修改数据时，另一个线程同时读取或修改该数据的情况。
缺乏同步机制：如果在多线程程序中没有使用合适的同步机制（如锁、原子操作等）来控制对共享数据的访问，各个线程就会随意地访问和修改共享数据，进而引发数据竞争。

3）示例

以下是一个简单的示例，展示了数据竞争的情况：

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    private static int sharedCounter = 0;

    static void Main()
    {
        // 创建两个线程
        Thread thread1 = new Thread(IncrementCounter);
        Thread thread2 = new Thread(IncrementCounter);

        // 启动线程
        thread1.Start();
        thread2.Start();

        // 等待两个线程执行完毕
        thread1.Join();
        thread2.Join();

        // 输出最终的计数器值
        Console.WriteLine($"Final counter value: {sharedCounter}");

		//第一次输出结果： Final counter value: 1226406
		//第二次输出结果： Final counter value: 1551244
		// ...
		// 会发现每次输出的结果都不一样
    }

    static void IncrementCounter()
    {
        for (int i = 0; i < 100_0000; i++)
        {
            sharedCounter++;
        }
    }
}

在这个示例中，两个线程同时对 sharedCounter 进行递增操作。sharedCounter++ 实际上包含了三个步骤：读取 sharedCounter 的值、将该值加 1、再将结果写回 sharedCounter。由于线程调度的不确定性，可能会出现以下情况：

线程 1 读取 sharedCounter 的值为 10。
线程 2 也读取 sharedCounter 的值，此时由于线程 1 还未完成写操作，所以线程 2 读到的值也是 10。
线程 1 将 10 加 1 得到 11，并写回 sharedCounter。
线程 2 同样将 10 加 1 得到 11，并写回 sharedCounter。

这样一来，两次递增操作实际上只让 sharedCounter 的值增加了 1，而不是 2，最终导致计数器的值比预期的要小，这就是数据竞争的具体表现。

4）危害

数据不一致：数据竞争会使共享数据的值变得不可预测，不同线程可能会看到不同版本的数据，导致程序的状态混乱。
程序崩溃：在某些情况下，数据竞争可能会导致程序出现未定义行为，进而引发程序崩溃或产生难以调试的错误。
结果不可重复：由于数据竞争的发生依赖于线程调度的不确定性，所以程序的运行结果可能每次都不一样，这给程序的调试和测试带来了极大的困难。

5）解决办法

使用锁机制：可以使用 lock 关键字（在 C# 中）或其他同步原语（如 Mutex、Semaphore 等）来确保同一时间只有一个线程能够访问共享数据。例如，将上述示例中的 IncrementCounter 方法修改如下：

private static readonly object lockObject = new object();

static void IncrementCounter()
{
    for (int i = 0; i < 100_0000; i++)
    {
        lock (lockObject)
        {
            sharedCounter++;
        }
    }
}

// 输出结果： Final counter value: 2000000

使用原子操作：对于一些简单的共享数据操作（如整数的递增、递减等），可以使用 Interlocked 类提供的原子操作方法，这些方法可以确保操作的原子性，避免数据竞争。例如：

static void IncrementCounter()
{
    for (int i = 0; i < 100_0000; i++)
    {
        Interlocked.Increment(ref sharedCounter);
    }
}
// 输出结果： Final counter value: 2000000

3. Interlocked 类

通过以上内容和相关示例，我们知道为什么要使用 Interlocked 类？因为 Interlocked 类提供的一些原子操作方法，这些方法可以确保操作的原子性，避免多线程场景下的数据竞争问题。

下面我们就具体详细的了解一下 Interlocked
在这里插入图片描述

Interlocked 类位于 System.Threading 命名空间，是一组静态方法的集合。它提供的方法能保证对共享变量的操作以原子方式执行，即这些操作在执行过程中不会被其他线程中断。这有效避免了多线程环境下的数据竞争问题，确保数据的一致性和完整性。

Interlocked 用于执行无锁（lock-free）的原子操作。这些方法可以直接在共享变量上工作，而不需要显式的锁定机制（如 lock 语句），从而减少了死锁和其他同步问题的风险。由于它们是基于硬件级别的原子指令实现的，因此通常比传统的锁更高效。

假设我们有一个计数器需要在多个线程间安全地递增。我们可以利用 Interlocked.Increment 来避免竞态条件

class Counter
{
    private long count = 0;

    public void Increment()
    {
        Interlocked.Increment(ref count);
    }

    public long GetCount()
    {
        return count;
    }
}

// 在多个线程中调用Increment方法
var counter = new Counter();
Parallel.For(0, 1000, i => counter.Increment());
Console.WriteLine(counter.GetCount()); // 应输出1000

二、Interlocked 常用方法

1. Interlocked.Add

介绍：该方法接受两个参数，一个是要修改的目标变量的引用，另一个是要添加到目标变量上的数值。它同样以原子方式执行加法并返回新的值。
功能：以原子操作的方式将指定值加到共享变量上，并返回相加后的结果。
语法：public static int Add(ref int location1, int value); 此方法有针对不同数值类型的重载，如long、float、double等。
示例：

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    private static int sharedValue = 0;

    static void Main()
    {
        Thread thread1 = new Thread(() =>
        {
            for (int i = 0; i < 1000; i++)
            {
                Interlocked.Add(ref sharedValue, 1);
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(() =>
        {
            for (int i = 0; i < 1000; i++)
            {
                Interlocked.Add(ref sharedValue, 1);
            }
        });

        thread1.Start();
        thread2.Start();

        thread1.Join();
        thread2.Join();

        Console.WriteLine($"Final value: {sharedValue}");
    }
}

说明：在上述代码中，两个线程同时尝试对sharedValue进行累加操作。如果不使用Interlocked.Add，由于线程调度的不确定性，可能会导致数据竞争，最终结果可能不是预期的 2000。而Interlocked.Add确保了每次累加操作的原子性，保证了结果的正确性。

2. Interlocked.Increment 和 Interlocked.Decrement

介绍：这两个方法分别用于将指定位置的整数值加1或减1。它们返回更新后的值，并且保证此操作是原子性的，不会受到其他线程的影响。
功能：Interlocked.Increment 以原子操作的方式递增共享变量，并返回操作后的值；Interlocked.Decrement 则以原子操作的方式递减共享变量，并返回操作后的值。
语法：public static int Increment(ref int location); 和 public static int Decrement(ref int location); 同样有针对不同数值类型的重载。
示例：

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    private static int counter = 0;

    static void Main()
    {
        Thread incrementThread = new Thread(() =>
        {
            for (int i = 0; i < 500; i++)
            {
                Interlocked.Increment(ref counter);
            }
        });

        Thread decrementThread = new Thread(() =>
        {
            for (int i = 0; i < 500; i++)
            {
                Interlocked.Decrement(ref counter);
            }
        });

        incrementThread.Start();
        decrementThread.Start();

        incrementThread.Join();
        decrementThread.Join();

        Console.WriteLine($"Final counter value: {counter}");
    }
}

说明：该示例展示了如何在多线程环境中安全地对计数器进行递增和递减操作。Interlocked.Increment 和 Interlocked.Decrement 保证了这些操作不会因线程切换而出现数据不一致的情况。

3. Interlocked.Exchange

介绍：Exchange 方法会用新值替换目标变量的旧值，并返回原来的值。这有助于在线程之间传递信息而不必担心竞争条件。
功能：以原子操作的方式用新值替换共享变量的旧值，并返回旧值。
语法：public static int Exchange(ref int location1, int value); 有多种数据类型的重载。
示例：

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    private static int sharedNumber = 10;

    static void Main()
    {
        Thread thread = new Thread(() =>
        {
            int oldValue = Interlocked.Exchange(ref sharedNumber, 20);
            Console.WriteLine($"Old value: {oldValue}");	//Old value: 10
        });

        thread.Start();
        thread.Join();

        Console.WriteLine($"New value: {sharedNumber}");	//New value: 20
    }
}

说明：在此示例中，线程通过Interlocked.Exchange方法将sharedNumber的值替换为 20，并获取原来的值。这个操作是原子的，不会受到其他线程干扰。

4. Interlocked.CompareExchange

介绍：这是最强大的一个方法，它尝试将目标变量设置为新值，但仅当其当前值等于预期值时才会成功。如果匹配失败，则保持不变，并返回实际的旧值。这对于实现自旋锁或其他复杂的同步逻辑非常有用。
功能：以原子操作的方式比较共享变量的值与给定值，如果相等，则用新值替换共享变量的值，并返回共享变量的原始值。常用于实现无锁算法。
语法：public static int CompareExchange(ref int location1, int value, int comparand); 同样支持多种数据类型的重载。
示例：

using System;
using System.Threading;

class Program
{
    private static int sharedValue = 5;

    static void Main()
    {
        int comparisonValue = 5;
        int newValue = 10;
		// 如果sharedValue等于comparisonValue，则将其设置为newValue
        int result = Interlocked.CompareExchange(ref sharedValue, newValue, comparisonValue);

        if (result == comparisonValue)
        {
            Console.WriteLine($"Value was successfully updated to {newValue}");
        }
        else
        {
            Console.WriteLine($"Value was not updated. Current value: {sharedValue}");
        }
    }
}

说明：在上述代码中，Interlocked.CompareExchange方法首先比较sharedValue与comparisonValue，如果相等，则将sharedValue更新为newValue。通过返回值可以判断更新是否成功，这在多线程环境下实现复杂同步逻辑时非常有用。

三、使用须知

性能考量：虽然Interlocked操作是原子的，但在高并发场景下，频繁调用可能会带来一定的性能开销。在实际应用中，应根据具体需求权衡使用。
适用场景：Interlocked主要适用于简单数据类型的原子操作，如计数器、标志位翻转等。对于复杂对象的同步，可能需要使用其他同步机制，如lock语句、Monitor类等。
无锁优势：Interlocked 的原子操作避免了传统锁带来的上下文切换开销，对于高频率的小型操作来说性能优越。
硬件支持：Interlocked 操作依赖于CPU提供的原子指令集，所以在现代多核处理器上表现良好。
最小化作用域：尽量缩小 Interlocked 操作的作用范围，只保护真正需要同步的部分代码。
组合使用：虽然 Interlocked 提供了基本的原子操作，但在某些情况下可能需要与 Monitor, Semaphore, 或者 ReaderWriterLockSlim 等高级同步原语结合起来使用。

四、Interlocked类和lock关键字区别

在 C# 多线程编程中，Interlocked类和lock关键字都用于处理线程安全问题，但它们在功能、实现方式、适用场景等方面存在明显区别：

1. 功能特性

Interlocked类：提供的是原子操作，确保对简单数据类型（如int、long等）的特定操作（如加减、交换、比较交换）在多线程环境下以原子方式执行，不会被其他线程中断。例如Interlocked.Add方法，在多个线程同时对一个共享整数变量进行累加时，能保证每次累加操作的完整性，避免数据竞争。
lock关键字：用于锁定一个对象，在同一时间只允许一个线程进入被锁定的代码块，从而保证这段代码在多线程环境下的线程安全性。它可以保护任何类型的共享资源，不仅限于简单数据类型。

2. 实现方式

Interlocked类：基于硬件指令实现原子操作，通常依赖于 CPU 提供的特殊指令，如cmpxchg（比较并交换指令）等。这些硬件指令保证了操作的原子性，操作系统和编译器会确保这些指令在执行过程中不会被打断。
lock关键字：是基于Monitor类实现的语法糖。lock语句在进入代码块时获取对象的锁，离开代码块时释放锁。当一个线程获取了锁，其他线程试图进入被锁定的代码块时，会被阻塞，直到锁被释放。

3. 适用场景

Interlocked类：适用于对简单数据类型进行简单的、独立的原子操作场景。例如，在多线程环境下统计某个事件发生的次数，使用Interlocked.Increment就非常合适。由于其操作的原子性是基于硬件指令，性能开销相对较小，在高并发场景下，如果只需要对简单数据进行这类原子操作，Interlocked类是较好的选择。
lock关键字：适用于保护复杂的代码块或对复杂对象的操作。当需要保证一段代码中多个操作的原子性，或者需要对多个共享资源进行协调访问时，lock关键字更为合适。比如，在多线程环境下对一个共享的集合进行读写操作，为了避免数据不一致，就可以使用lock关键字来锁定集合对象，确保同一时间只有一个线程能访问该集合。

4. 性能表现

Interlocked类：由于基于硬件指令，在对简单数据类型的原子操作上性能较高。特别是在高并发场景下，频繁的Interlocked操作带来的性能开销相对较小，因为它不需要像lock那样进行复杂的锁获取和释放操作。
lock关键字：虽然能保护复杂的代码逻辑，但由于涉及到线程的阻塞和唤醒，在高并发场景下，如果锁的竞争激烈，会导致性能下降。因为被阻塞的线程需要等待锁的释放，这期间会消耗系统资源，并且线程上下文的切换也会带来额外的开销。