詳細聊聊C#的并發(fā)機制優(yōu)秀在哪

更新時間：2022年02月08日 12:11:10 作者：beyondma

并發(fā)其實是一個很泛的概念,字面意思就是"同時做多件事",不過方式有所不同,下面這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于C#并發(fā)機制的相關(guān)資料,文中通過實例代碼介紹的非常詳細,需要的朋友可以參考下

前言

筆者上次用C#寫.Net代碼差不多還是10多年以前，由于當時Java已經(jīng)頗具王者風(fēng)范，Net幾乎被打得潰不成軍。因此當時筆者對于這個.Net的項目態(tài)度比較敷衍了事，沒有對其中一些優(yōu)秀機制有很深的了解，在去年寫《C和Java沒那么香了，高并發(fā)時代誰能稱王》時都沒給.Net以一席之地，不過最近恰好機緣巧合，我又接手了一個Windows方面的項目，這也讓我有機會重新審視一下自己關(guān)于.Net框架的相關(guān)知識。

項目原型要實現(xiàn)的功能并不復(fù)雜，主要就是記錄移動存儲設(shè)備中文件拷出的記錄，而且需要盡可能少的占用系統(tǒng)資源，而在開發(fā)過程中我無意中加了一行看似沒有任何效果的代碼，使用Invoke方法記錄文件拷出情況，這樣的操作卻讓程序執(zhí)行效率明顯會更高，這背后的原因特別值得總結(jié)。

一行沒用的代碼卻提高了效率？

由于我需要記錄的文件拷出信息并沒有回顯在UI的需要，因此也就沒考慮并發(fā)沖突的問題，在最初版本的實現(xiàn)中，我對于filesystemwatcher的回調(diào)事件，都是直接處理的，如下：

private void DeleteFileHandler(object sender, FileSystemEventArgs e)
        {
            if(files.Contains(e.FullPath))
            {
                files.Remove(e.FullPath);
               //一些其它操作
            }
        }

這個程序的處理效率在普通的辦公PC上如果同時拷出20個文件，那么在拷貝過程中，U盤監(jiān)測程序的CPU使用率大約是0.7%。

但是一個非常偶然的機會，我使用了Event/Delegate的Invoke機制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這樣一個看似的廢操作，卻讓程序的CPU占用率下降到0.2%左右

 private void UdiskWather_Deleted(object sender, FileSystemEventArgs e)
        {
            if(this.InvokeRequired)
            {
                this.Invoke(new DeleteDelegate(DeleteFileHandler), new object[] { sender,e });               }
            else
            {
                DeleteFileHandler(sender, e);
            }
        }

在我最初的認識中.net中的Delegate機制在調(diào)用過程中是要進行拆、裝箱操作的，因此這不拖慢操作就不錯了，但實際的驗證結(jié)果卻相反。

? 看似沒用的Invoke到底有什么用

這里先給出結(jié)論，Invoke能提升程序執(zhí)行效率，其關(guān)鍵還是在于線程在多核之間切換的消耗要遠遠高于拆、裝箱的資源消耗，我們知道我們程序的核心就是操作files這個共享變量，每次在被檢測的U盤目錄中如果發(fā)生文件變動，其回調(diào)通知函數(shù)可能都運行在不同的線程，如下：

Invoke機制的背后其實就是保證所有對于files這個共享變量的操作，全部都是由一個線程執(zhí)行完成的。

目前.Net的代碼都開源的，下面我們大致講解一下Invoke的調(diào)用過程，不管是BeginInvoke還是Invoke背后其實都是調(diào)用的MarshaledInvoke方法來完成的，如下：

public IAsyncResult BeginInvoke(Delegate method, params Object[] args) {
            using (new MultithreadSafeCallScope()) {
                Control marshaler = FindMarshalingControl();
                return(IAsyncResult)marshaler.MarshaledInvoke(this, method, args, false);
            }
        }

MarshaledInvoke的主要工作是創(chuàng)建ThreadMethodEntry對象，并把它放在一個鏈表里進行管理，然后調(diào)用PostMessage將相關(guān)信息發(fā)給要通信的線程，如下：

?
private Object MarshaledInvoke(Control caller, Delegate method, Object[] args, bool synchronous) {
            if (!IsHandleCreated) {
                throw new InvalidOperationException(SR.GetString(SR.ErrorNoMarshalingThread));
            }
 
            ActiveXImpl activeXImpl = (ActiveXImpl)Properties.GetObject(PropActiveXImpl);
            if (activeXImpl != null) {
                IntSecurity.UnmanagedCode.Demand();
            }
 
            // We don't want to wait if we're on the same thread, or else we'll deadlock.
 
            // It is important that syncSameThread always be false for asynchronous calls.
 
            //
 
            bool syncSameThread = false;
            int pid; // ignored
            if (SafeNativeMethods.GetWindowThreadProcessId(new HandleRef(this, Handle), out pid) == SafeNativeMethods.GetCurrentThreadId()) {
                if (synchronous)
                    syncSameThread = true;
            }
 
            // Store the compressed stack information from the thread that is calling the Invoke()
            // so we can assign the same security context to the thread that will actually execute
            // the delegate being passed.
            //
 
            ExecutionContext executionContext = null;
            if (!syncSameThread) {
                executionContext = ExecutionContext.Capture();
            }
 
            ThreadMethodEntry tme = new ThreadMethodEntry(caller, this, method, args, synchronous, executionContext);
            lock (this) {
                if (threadCallbackList == null) {
                    threadCallbackList = new Queue();
                }
            }
 
            lock (threadCallbackList) {
                if (threadCallbackMessage == 0) {
                    threadCallbackMessage = SafeNativeMethods.RegisterWindowMessage(Application.WindowMessagesVersion + "_ThreadCallbackMessage");
                }
                threadCallbackList.Enqueue(tme);
            }
 
            if (syncSameThread) {
                InvokeMarshaledCallbacks();
            }  else {
                //
                UnsafeNativeMethods.PostMessage(new HandleRef(this, Handle), threadCallbackMessage, IntPtr.Zero, IntPtr.Zero);
            }
 
            if (synchronous) {
                if (!tme.IsCompleted) {
                    WaitForWaitHandle(tme.AsyncWaitHandle);
                }
 
                if (tme.exception != null) {
                    throw tme.exception;
                }
                return tme.retVal;
            }
            else {
                return(IAsyncResult)tme;
            }
        }

Invoke的機制就保證了一個共享變量只能由一個線程維護，這和GO語言使用通信來替代共享內(nèi)存的設(shè)計是暗合的，他們的理念都是 "讓同一塊內(nèi)存在同一時間內(nèi)只被一個線程操作" 。這和現(xiàn)代計算體系結(jié)構(gòu)的多核CPU（SMP)有著密不可分的聯(lián)系，

這里我們先來科普一下CPU之間的通信MESI協(xié)議的內(nèi)容。我們知道現(xiàn)代的CPU都配備了高速緩存，按照多核高速緩存同步的MESI協(xié)議約定，每個緩存行都有四個狀態(tài)，分別是E（exclusive）、M（modified）、S（shared）、I（invalid），其中：

M：代表該緩存行中的內(nèi)容被修改，并且該緩存行只被緩存在該CPU中。這個狀態(tài)代表緩存行的數(shù)據(jù)和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)不同。

E：代表該緩存行對應(yīng)內(nèi)存中的內(nèi)容只被該CPU緩存，其他CPU沒有緩存該緩存對應(yīng)內(nèi)存行中的內(nèi)容。這個狀態(tài)的緩存行中的數(shù)據(jù)與內(nèi)存的數(shù)據(jù)一致。

I：代表該緩存行中的內(nèi)容無效。

S:該狀態(tài)意味著數(shù)據(jù)不止存在本地CPU緩存中，還存在其它CPU的緩存中。這個狀態(tài)的數(shù)據(jù)和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)也是一致的。不過只要有CPU修改該緩存行都會使該行狀態(tài)變成 I 。

四種狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下：

?我們上文也提到了，不同的線程是有大概率是運行在不同CPU核上的，在不同CPU操作同一塊內(nèi)存時，站在CPU0的角度上看，就是CPU1會不斷發(fā)起remote write的操作，這會使該高速緩存的狀態(tài)總是會在S和I之間進行狀態(tài)遷移，而一旦狀態(tài)變?yōu)镮將耗費比較多的時間進行狀態(tài)同步。

因此我們可以基本得出 this.Invoke(new DeleteDelegate(DeleteFileHandler), new object[] { sender,e }); ;這行看似無關(guān)緊要的代碼之后，無意中使files共享變量的維護操作，由多核多線程共同操作，變成了眾多子線程向主線程通信，所有維護操作均由主線程進行，這也使最終的執(zhí)行效率有所提高。

?深度解讀，為何要加兩把鎖

在當前使用通信替代共享內(nèi)存的大潮之下，鎖其實是最重要的設(shè)計。

我們看到在.Net的Invoke實現(xiàn)中，使用了兩把鎖lock (this) 與lock (threadCallbackList)。

lock (this) {
                if (threadCallbackList == null) {
                    threadCallbackList = new Queue();
                }
            }
 
            lock (threadCallbackList) {
                if (threadCallbackMessage == 0) {
                    threadCallbackMessage = SafeNativeMethods.RegisterWindowMessage(Application.WindowMessagesVersion + "_ThreadCallbackMessage");
                }
                threadCallbackList.Enqueue(tme);
            }

在.NET當中l(wèi)ock關(guān)鍵字的基本可以理解為提供了一個近似于CAS的鎖（Compare And Swap）。CAS的原理不斷地把"期望值"和"實際值"進行比較，當它們相等時，說明持有鎖的CPU已經(jīng)釋放了該鎖，那么試圖獲取這把鎖的CPU就會嘗試將"new"的值(0)寫入"p"（交換），以表明自己成為spinlock新的owner。偽代碼演示如下：

void CAS(int p, int old,int new)
{
    if *p != old
        do nothing
    else 
     *p ← new
}

基于CAS的鎖效率沒問題，尤其是在沒有多核競爭的情況CAS表現(xiàn)得尤其優(yōu)秀，但CAS最大的問題就是不公平，因為如果有多個CPU同時在申請一把鎖，那么剛剛釋放鎖的CPU極可能在下一輪的競爭中獲取優(yōu)勢，再次獲得這把鎖，這樣的結(jié)果就是一個CPU忙死，而其它CPU卻很閑，我們很多時候詬病多核SOC“一核有難，八核圍觀”其實很多時候都是由這種不公平造成的。

為了解決CAS的不公平問題，業(yè)界大神們又引入了TAS（Test And Set Lock）機制，個人感覺還是把TAS中的T理解為Ticket更好記一些，TAS方案中維護了一個請求該鎖的頭尾索引值，由"head"和"tail"兩個索引組成。

struct lockStruct{
    int32 head;
    int32 tail;
} ;

"head"代表請求隊列的頭部，"tail"代表請求隊列的尾部，其初始值都為0。

最一開始時，第一個申請的CPU發(fā)現(xiàn)該隊列的tail值是0,那么這個CPU會直接獲取這把鎖，并會把tail值更新為1，并在釋放該鎖時將head值更新為1。

在一般情況下當鎖被持有的CPU釋放時，該隊列的head值會被加1，當其他CPU在試圖獲取這個鎖時，鎖的tail值獲取到，然后把這個tail值加1，并存儲在自己專屬的寄存器當中，然后再把更新后的tail值更新到隊列的tail當中。接下來就是不斷地循環(huán)比較，判斷該鎖當前的"head"值，是否和自己存儲在寄存器中的"tail"值相等，相等時則代表成功獲得該鎖。

TAS這類似于用戶到政務(wù)大廳去辦事時，首先要在叫號機取號，當工作人員廣播叫到的號碼與你手中的號碼一致時，你就獲取了辦事柜臺的所有權(quán)。

但是TAS卻存在一定的效率問題，根據(jù)我們上文介紹的MESI協(xié)議，這個lock的頭尾索引其實是在各個CPU之間共享的，因此tail和head頻繁更新，還是會引發(fā)調(diào)整緩存不停的invalidate，這會極大的影響效率。

因此我們看到在.Net的實現(xiàn)中干脆就直接引入了threadCallbackList的隊列，并不斷將tme(ThreadMethodEntry)加入隊尾，而接收消息的進程，則不斷從隊首獲取消息.

lock (threadCallbackList) {
                if (threadCallbackMessage == 0) {
                    threadCallbackMessage = SafeNativeMethods.RegisterWindowMessage(Application.WindowMessagesVersion + "_ThreadCallbackMessage");
                }
                threadCallbackList.Enqueue(tme);
            }

當隊首指向這個tme時，消息才被發(fā)送，其實是一種類似于MAS的實現(xiàn)，當然MAS實際是為每個CPU都建立了一個專屬的隊列，和Invoke的設(shè)計略有不同，不過基本的思想是一致的。

很多時候年少時不是品不出很多東西背后味道的，這也讓我錯過了很多非常值得總結(jié)的技術(shù)要點，因此在春節(jié)假期總結(jié)一下最近使用C#的心得，以饗讀者，順祝大家新春愉快！