.NET 同步与异步之锁(Lock、Monitor)(七)

2017-01-14 19:44:23来源:cnblogs.com作者:把爱延续人点击

第七城市

本随笔续接:.NET同步与异步之相关背景知识(六)

 

在上一篇随笔中已经提到、解决竞争条件的典型方式就是加锁 ,那本篇随笔就重点来说一说.NET提供的最常用的锁 lock关键字 和 Monitor。

一、lock关键字Demo

        public object thisLock = new object();        private long index;        public void AddIndex()        {            lock (this.thisLock)            {                this.index++;                if (this.index > long.MaxValue / 2)                {                    this.index = 0;                }
         // 和 index 无关的大量操作 } }
public long GetIndex() { return this.index; }

 

这一组demo,代码简洁,逻辑简单,一个 AddIndex 方法 保证字段 index 在 0到100之间,另外一个GetIndex方法用来获取字段index的值。

但是,这一组Demo却有不少问题,甚至可以说是错误,下面我将一一进行说明:

1、忘记同步——即读写操作都需要加锁

  GetIndex方法, 由于该方法没有加锁,所以通过该方法在任何时刻都可以访问字段index的值,也就是说会恰好在某个时间点获取到 101 这个值,这一点是和初衷相违背的。

 

2、读写撕裂

  如果说读写撕裂这个问题,这个demo可能不是很直观,但是Long类型确实存在读写撕裂。比如下面的例子:

        /// <summary>        /// 测试原子性        /// </summary>        public void TestAtomicity()        {            long test = 0;            long breakFlag = 0;            int index = 0;            Task.Run(() =>            {                base.PrintInfo("开始循环   写数据");                while (true)                {                    test = (index % 2 == 0) ? 0x0 : 0x1234567890abcdef;                    index++;                    if (Interlocked.Read(ref breakFlag) > 0)                    {                        break;                    }                }                base.PrintInfo("退出循环   写数据");            });            Task.Run(() =>            {                base.PrintInfo("开始循环   读数据");                while (true)                {                    long temp = test;                    if (temp != 0 && temp != 0x1234567890abcdef)                    {                        Interlocked.Increment(ref breakFlag);                        base.PrintInfo($"读写撕裂:   { Convert.ToString(temp, 16)}");                        break;                    }                }                base.PrintInfo("退出循环   读数据");            });        }
测试原子性操作

64位的数据结构是需要两个命令来实现读写操作的,也就是说、如果恰好在两个写命令中间发生了读取操作,就有可能读取到不完成的数据。故而要警惕读写撕裂。

 

3、粒度错误

  AddIndex 方法中,和 index 无关的大量操作 ,放在锁中是没有必要的,虽然没必要但是也不是错的,只能说这个锁的粒度过大,造成了没必要的并发上的性能影响。

下面举例一个错误的锁粒度:

        public class BankAccount        {            private long id;            private decimal m_balance = 0.0M;            private object m_balanceLock = new object();            public void Deposit(decimal delta)            {                lock (m_balanceLock)                {                    m_balance += delta;                }            }            public void Withdraw(decimal delta)            {                lock (m_balanceLock)                {                    if (m_balance < delta)                        throw new Exception("Insufficient funds");                    m_balance -= delta;                }            }            public static void ErrorTransfer(BankAccount a, BankAccount b, decimal delta)            {                a.Withdraw(delta);                b.Deposit(delta);            }            public static void Transfer(BankAccount a, BankAccount b, decimal delta)            {                lock (a.m_balanceLock)                {                    lock (b.m_balanceLock)                    {                        a.Withdraw(delta);                        b.Deposit(delta);                    }                }            }            public static void RightTransfer(BankAccount a, BankAccount b, decimal delta)            {                if (a.id < b.id)                {                    Monitor.Enter(a.m_balanceLock); // A first                    Monitor.Enter(b.m_balanceLock); // ...and then B                }                else                {                    Monitor.Enter(b.m_balanceLock); // B first                    Monitor.Enter(a.m_balanceLock); // ...and then A                 }                try                {                    a.Withdraw(delta);                    b.Deposit(delta);                }                finally                {                    Monitor.Exit(a.m_balanceLock);                    Monitor.Exit(b.m_balanceLock);                }            }        }
错误的锁粒度

在 ErrorTransfer 方法中,在转账的两个方法中间的时间点上,转账金额属于无主状态,这时锁的粒度就过小了 。

在 Transfer 方法中,虽然粒度正确了,但是此时容易死锁。而比较恰当的方式可以是:RightTransfer 。

 

4、不合理的lock方式

锁定非私有类型的对象是一种危险的行为,因为非私有类型被暴露给外界、外界也可以对被暴露的对象进行加锁,这种情况下很容造成死锁 或者 错误的锁粒度。

较为合理的方式是 将 thislock 改为 private .

由上述进行类推:

1、lock(this):如果当前类型为外界可访问的也会有类似问题。

2、lock(typeof(T)): 因为Type对象,是整个进程域中是唯一的。所以,如果T为外界可访问的类型也会有类似问题。

3、lock("字符串"):因为String类型的特殊性(内存驻留机制),多个字符串其实有可能是同一把锁,所以、一不小心就容易掉入陷阱、造成死锁 或者错误的锁粒度。

 

二、通过 IL 代码看本质

 下面是 AddIndex 方法的全部il代码 [使用 .NET 4.5类库,VS2015 编译]:

.method public hidebysig instance void  AddIndex() cil managed{  // 代码大小       81 (0x51)  .maxstack  3  .locals init ([0] object V_0,           [1] bool V_1,           [2] bool V_2)  IL_0000:  nop  IL_0001:  ldarg.0  IL_0002:  ldfld      object ParallelDemo.Demo.LockMonitorClass::thisLock  IL_0007:  stloc.0  IL_0008:  ldc.i4.0  IL_0009:  stloc.1  .try  {    IL_000a:  ldloc.0    IL_000b:  ldloca.s   V_1    IL_000d:  call       void [mscorlib]System.Threading.Monitor::Enter(object,                                                                        bool&)    IL_0012:  nop    IL_0013:  nop    IL_0014:  ldarg.0    IL_0015:  ldarg.0    IL_0016:  ldfld      int64 ParallelDemo.Demo.LockMonitorClass::index    IL_001b:  ldc.i4.1    IL_001c:  conv.i8    IL_001d:  add    IL_001e:  stfld      int64 ParallelDemo.Demo.LockMonitorClass::index    IL_0023:  ldarg.0    IL_0024:  ldfld      int64 ParallelDemo.Demo.LockMonitorClass::index    IL_0029:  ldc.i8     0x3fffffffffffffff    IL_0032:  cgt    IL_0034:  stloc.2    IL_0035:  ldloc.2    IL_0036:  brfalse.s  IL_0042    IL_0038:  nop    IL_0039:  ldarg.0    IL_003a:  ldc.i4.0    IL_003b:  conv.i8    IL_003c:  stfld      int64 ParallelDemo.Demo.LockMonitorClass::index    IL_0041:  nop    IL_0042:  nop    IL_0043:  leave.s    IL_0050  }  // end .try  finally  {    IL_0045:  ldloc.1    IL_0046:  brfalse.s  IL_004f    IL_0048:  ldloc.0    IL_0049:  call       void [mscorlib]System.Threading.Monitor::Exit(object)    IL_004e:  nop    IL_004f:  endfinally  }  // end handler  IL_0050:  ret} // end of method LockMonitorClass::AddIndex
IL

 当然你没必要完全看懂,你只需要注意到三个细节就可以了:

1、调用 [mscorlib]System.Threading.Monitor::Enter(object, bool&) 方法,其中第二个入参为 索引为1的local变量 [查类库后发现该参数是 ref 传递引用]。

2、如果索引为1的local变量 不为 false,则 调用 [mscorlib]System.Threading.Monitor::Exit(object) 方法

3、try... finally 语句块

换句话,也就是说 lock关键字其实本质上就是 Monitor 类的简化实现方式,为了安全、进行了try...finally处理。

 

三、Monitor 的 wait 和 Pulse 

因为进入锁(Enter)和离开锁(Exit)都是有一定的性能损耗的,所以,当有频繁的没有必要的锁操作的时候,性能影响更大。

比如:在生产者消费者模式中,如果没有需要消费的数据时,对锁的频繁操作是没有必要的(轮询模式,不是推送)。

在这种情况下, wait方法就派上用场了。如下是MSDN中的一句备注:

当前拥有对指定对象的锁的线程调用此方法以释放该对象,以便另一个线程可以访问它。 等待重新获取锁时阻止调用方。 当调用方需要等待另一个线程操作后将发生状态更改时,调用此方法。

 

wait 和  pulse 方法一笔带过,这对方法、笔者用的也不多。

 

 

随笔暂告一段落、下一篇随笔介绍: 锁(ReaderWriterLockSlim)(预计1篇随笔)

附,Demo : http://files.cnblogs.com/files/08shiyan/ParallelDemo.zip

参见更多:随笔导读:同步与异步


(未完待续...)

 

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