多线程中的锁系统(二)-volatile、Interlocked、ReaderWriterLockSlim

     上章主要讲排他锁的直接使用方式。但实际当中全部都用锁又太浪费了，或者排他锁粒度太大了，本篇主要介绍下升级锁和原子操作。

阅读目录

1. volatile
2. Interlocked
3. ReaderWriterLockSlim

volatile

简单来说volatile关键字是告诉c#编译器和JIT编译器，不对volatile标记的字段做任何的缓存。确保字段读写都是原子操作，最新值。

从功能上看起到锁的作用，但它不是锁， 它的原子操作是基于CPU本身的，非阻塞的。 因为32位CPU执行赋值指令，数据传输最大宽度4个字节。

所以只要在4个字节以下读写操作的，32位CPU都是原子操作，volatile 是利用这个特性来保证其原子操作的。

这样的目的是为了提高JIT性能效率，对有些数据进行缓存了(多线程下)。

       //正确
       public volatile Int32 score1 = 1;
        //报错
        public volatile Int64 score2 = 1;

如上，我们尝试定义了8个字节长度score2，会抛出异常。  因为8个字节32位CPU就分成2个指令执行了，所以就无法保证其原子操作了。

如果把编译平台改成64位，同样不可以使用，C#限制4个字节以下的类型字段才能用volatile。

还一种方法是使用特定平台的整数类型IntPtr，这样volatile即可作用到64位上了。

volatile多数情况下很有用处的，毕竟锁的性能开销还是很大的。可以把当成轻量级的锁，根据具体场景合理使用，能提高不少程序性能。

线程中的Thread.VolatileRead 和Thread.VolatileWrite 是volatile以前的版本。

Interlocked

MSDN 描述：为多个线程共享的变量提供原子操作。主要函数如下：

Interlocked.Increment　　　　原子操作，递增指定变量的值并存储结果。
Interlocked.Decrement　　     原子操作，递减指定变量的值并存储结果。
Interlocked.Add　　　　　　　 原子操作，添加两个整数并用两者的和替换第一个整数

Interlocked.CompareExchange(ref a, b, c);  原子操作，a参数和c参数比较，  相等b替换a，不相等不替换。

下面是个interlock anything的例子：

public static int Maximum(ref int target, int value)
        {
            int currentVal = target, startVal, desiredVal;  //记录前后值
            do
            {
                startVal = currentVal; //记录循环迭代的初始值。
                desiredVal = Math.Max(startVal, value); //基于startVal和value计算期望值desiredVal

                //高并发下，线程被抢占情况下，target值会发生改变。

                //target startVal相等说明没改变。desiredVal 直接替换。
                currentVal = Interlocked.CompareExchange(ref target, desiredVal, startVal);

            } while (startVal != currentVal); //不相等说明，target值已经被其他线程改动。自旋继续。
            return desiredVal;
        }

ReaderWriterLockSlim

假如有份缓存数据A，如果每次都不管任何操作lock一下，那么我的这份缓存A就永远只能单线程读写了， 这在Web高并发下是不能忍受的。

那有没有一种办法我只在写入时进入独占锁呢，读操作时不限制线程数量呢？答案就是我们的ReaderWriterLockSlim主角，读写锁。

ReaderWriterLockSlim 其中一种锁EnterUpgradeableReadLock最关键  即可升级锁。  

它允许你先进入读锁，发现缓存A不一样了， 再进入写锁，写入后退回读锁模式。

ps： 这里注意下net 3.5之前有个ReaderWriterLock 性能较差。推荐使用升级版的 ReaderWriterLockSlim 。 

//实例一个读写锁
 ReaderWriterLockSlim cacheLock = new ReaderWriterLockSlim(LockRecursionPolicy.SupportsRecursion);

上面实例一个读写锁，这里注意的是构造函数的枚举。

LockRecursionPolicy.NoRecursion 不支持，发现递归会抛异常。

LockRecursionPolicy.SupportsRecursion  即支持递归模式，线程锁中继续在使用锁。

            cacheLock.EnterReadLock();
            //do 
                cacheLock.EnterReadLock();
                //do
                cacheLock.ExitReadLock();
            cacheLock.ExitReadLock();

这种模式极易容易死锁，比如读锁里面使用写锁。

      cacheLock.EnterReadLock();
            //do 
              cacheLock.EnterWriteLock();
              //do
              cacheLock.ExitWriteLock();
            cacheLock.ExitReadLock();

下面是msdn的缓存例子了，加了注释。

public class SynchronizedCache
    {
        private ReaderWriterLockSlim cacheLock = new ReaderWriterLockSlim();
        private Dictionary<int, string> innerCache = new Dictionary<int, string>();

        public string Read(int key)
        {
            //进入读锁，允许其他所有的读线程，写入线程被阻塞。
            cacheLock.EnterReadLock();
            try
            {
                return innerCache[key];
            }
            finally
            {
                cacheLock.ExitReadLock();
            }
        }

        public void Add(int key, string value)
        {
            //进入写锁，其他所有访问操作的线程都被阻塞。即写独占锁。
            cacheLock.EnterWriteLock();
            try
            {
                innerCache.Add(key, value);
            }
            finally
            {
                cacheLock.ExitWriteLock();
            }
        }

        public bool AddWithTimeout(int key, string value, int timeout)
        {
            //超时设置，如果在超时时间内，其他写锁还不释放，就放弃操作。
            if (cacheLock.TryEnterWriteLock(timeout))
            {
                try
                {
                    innerCache.Add(key, value);
                }
                finally
                {
                    cacheLock.ExitWriteLock();
                }
                return true;
            }
            else
            {
                return false;
            }
        }

        public AddOrUpdateStatus AddOrUpdate(int key, string value)
        {
            //进入升级锁。 同时只能有一个可升级锁线程。写锁，升级锁都被阻塞，但允许其他读取数据的线程。
            cacheLock.EnterUpgradeableReadLock();
            try
            {
                string result = null;
                if (innerCache.TryGetValue(key, out result))
                {
                    if (result == value)
                    {
                        return AddOrUpdateStatus.Unchanged;
                    }
                    else
                    {
                        //升级成写锁，其他所有线程都被阻塞。
                        cacheLock.EnterWriteLock();
                        try
                        {
                            innerCache[key] = value;
                        }
                        finally
                        {
                            //退出写锁，允许其他读线程。
                            cacheLock.ExitWriteLock();
                        }
                        return AddOrUpdateStatus.Updated;
                    }
                }
                else
                {
                    cacheLock.EnterWriteLock();
                    try
                    {
                        innerCache.Add(key, value);
                    }
                    finally
                    {
                        cacheLock.ExitWriteLock();
                    }
                    return AddOrUpdateStatus.Added;
                }
            }
            finally
            {
                //退出升级锁。
                cacheLock.ExitUpgradeableReadLock();
            }
        }

        public enum AddOrUpdateStatus
        {
            Added,
            Updated,
            Unchanged
        };
    }

多线程实际开发当中一直是个难点，特别是并发量比较高的情况下，这需要使用时尤为注意。