.NET 同步與異步之鎖（Lock、Monitor）（七），lockmonitor
本隨筆續接：.NET同步與異步之相關背景知識（六）
在上一篇隨筆中已經提到、解決競爭條件的典型方式就是加鎖 ，那本篇隨筆就重點來說一說.NET提供的最常用的鎖 lock關鍵字 和 Monitor。
一、lock關鍵字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 無關的大量操作
}
}
public long GetIndex()
{
return this.index;
}
這一組demo，代碼簡潔，邏輯簡單，一個 AddIndex 方法 保證字段 index 在 0到100之間，另外一個GetIndex方法用來獲取字段index的值。
但是，這一組Demo卻有不少問題，甚至可以說是錯誤，下面我將一一進行說明：
1、忘記同步——即讀寫操作都需要加鎖
GetIndex方法， 由於該方法沒有加鎖，所以通過該方法在任何時刻都可以訪問字段index的值，也就是說會恰好在某個時間點獲取到 101 這個值，這一點是和初衷相違背的。
2、讀寫撕裂
如果說讀寫撕裂這個問題，這個demo可能不是很直觀，但是Long類型確實存在讀寫撕裂。比如下面的例子：
![]()
/// <summary>
/// 測試原子性
/// </summary>
public void TestAtomicity()
{
long test = 0;
long breakFlag = 0;
int index = 0;
Task.Run(() =>
{
base.PrintInfo("開始循環 寫數據");
while (true)
{
test = (index % 2 == 0) ? 0x0 : 0x1234567890abcdef;
index++;
if (Interlocked.Read(ref breakFlag) > 0)
{
break;
}
}
base.PrintInfo("退出循環 寫數據");
});
Task.Run(() =>
{
base.PrintInfo("開始循環 讀數據");
while (true)
{
long temp = test;
if (temp != 0 && temp != 0x1234567890abcdef)
{
Interlocked.Increment(ref breakFlag);
base.PrintInfo($"讀寫撕裂: { Convert.ToString(temp, 16)}");
break;
}
}
base.PrintInfo("退出循環 讀數據");
});
}
測試原子性操作
64位的數據結構是需要兩個命令來實現讀寫操作的，也就是說、如果恰好在兩個寫命令中間發生了讀取操作，就有可能讀取到不完成的數據。故而要警惕讀寫撕裂。
3、粒度錯誤
AddIndex 方法中，和 index 無關的大量操作 ，放在鎖中是沒有必要的，雖然沒必要但是也不是錯的，只能說這個鎖的粒度過大，造成了沒必要的並發上的性能影響。
下面舉例一個錯誤的鎖粒度：
![]()
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);
}
}
}
錯誤的鎖粒度
在 ErrorTransfer 方法中，在轉賬的兩個方法中間的時間點上，轉賬金額屬於無主狀態，這時鎖的粒度就過小了 。
在 Transfer 方法中，雖然粒度正確了，但是此時容易死鎖。而比較恰當的方式可以是：RightTransfer 。
4、不合理的lock方式
鎖定非私有類型的對象是一種危險的行為，因為非私有類型被暴露給外界、外界也可以對被暴露的對象進行加鎖，這種情況下很容造成死鎖 或者 錯誤的鎖粒度。
較為合理的方式是 將 thislock 改為 private .
由上述進行類推：
1、lock(this)：如果當前類型為外界可訪問的也會有類似問題。
2、lock(typeof(T)): 因為Type對象，是整個進程域中是唯一的。所以，如果T為外界可訪問的類型也會有類似問題。
3、lock("字符串")：因為String類型的特殊性（內存駐留機制），多個字符串其實有可能是同一把鎖，所以、一不小心就容易掉入陷阱、造成死鎖 或者錯誤的鎖粒度。
二、通過 IL 代碼看本質
下面是 AddIndex 方法的全部il代碼 [使用 .NET 4.5類庫，VS2015 編譯]：
![]()
.method public hidebysig instance void AddIndex() cil managed
{
// 代碼大小 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
當然你沒必要完全看懂，你只需要注意到三個細節就可以了：
1、調用 [mscorlib]System.Threading.Monitor::Enter(object, bool&) 方法，其中第二個入參為 索引為1的local變量 [查類庫後發現該參數是 ref 傳遞引用]。
2、如果索引為1的local變量 不為 false，則 調用 [mscorlib]System.Threading.Monitor::Exit(object) 方法
3、try... finally 語句塊
換句話，也就是說 lock關鍵字其實本質上就是 Monitor 類的簡化實現方式，為了安全、進行了try...finally處理。
三、Monitor 的 wait 和 Pulse
因為進入鎖（Enter）和離開鎖（Exit）都是有一定的性能損耗的，所以，當有頻繁的沒有必要的鎖操作的時候，性能影響更大。
比如：在生產者消費者模式中，如果沒有需要消費的數據時，對鎖的頻繁操作是沒有必要的（輪詢模式，不是推送）。
在這種情況下， wait方法就派上用場了。如下是MSDN中的一句備注：
當前擁有對指定對象的鎖的線程調用此方法以釋放該對象，以便另一個線程可以訪問它。 等待重新獲取鎖時阻止調用方。 當調用方需要等待另一個線程操作後將發生狀態更改時，調用此方法。
wait 和 pulse 方法一筆帶過，這對方法、筆者用的也不多。
隨筆暫告一段落、下一篇隨筆介紹： 鎖（ReaderWriterLockSlim）（預計1篇隨筆）
附，Demo : http://files.cnblogs.com/files/08shiyan/ParallelDemo.zip
參見更多：隨筆導讀：同步與異步
(未完待續...)
