說(shuō)到線程安全，不要一下子就想到加鎖，尤其是可能會(huì)調(diào)用頻繁或者是要求高性能的場(chǎng)合。

對(duì)于性能要求不高或者同步的對(duì)象數(shù)量不多的時(shí)候，加鎖是一個(gè)比較簡(jiǎn)單而且易于實(shí)現(xiàn)的選擇。比方說(shuō).NET提供的一些基礎(chǔ)類庫(kù)，比如線程安全的堆棧和隊(duì)列，如果使用加鎖的方式那么會(huì)使性能大打折扣（速度可能會(huì)降低好幾個(gè)數(shù)量級(jí)），而且如果設(shè)計(jì)得不好的話還有可能發(fā)生死鎖。

現(xiàn)在通過(guò)查看微軟的源代碼來(lái)學(xué)習(xí)一些不直接lock（等價(jià)于Monitor類）的線程同步技巧吧。

這里我們主要用的是Interlocked類，這個(gè)類按照M$的描述，是“為多個(gè)線程共享的變量提供原子操作”，當(dāng)然這個(gè)類是一個(gè)靜態(tài)類。這個(gè)類的源代碼看不到，因?yàn)槭钦{(diào)用的CLR內(nèi)部的方法，不過(guò)基本思想應(yīng)該是通過(guò)硬件原語(yǔ)try and set來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

該類提供的Add、Increment、Decrement能夠完成簡(jiǎn)單的原子操作。

假如我們要提供一個(gè)計(jì)數(shù)器，每訪問(wèn)一次就遞增地返回一個(gè)新的數(shù)值用于計(jì)數(shù)。在多線程環(huán)境下，s++這一條語(yǔ)句不是線程安全的。因?yàn)閳?zhí)行這個(gè)語(yǔ)句要經(jīng)過(guò)：移到寄存器（讀?。⑦\(yùn)算、寫入這幾個(gè)步驟，在任何時(shí)候都可能會(huì)切換到其他線程，這樣子s被多個(gè)線程訪問(wèn)值可能會(huì)在切換的過(guò)程中丟失。有了Interlocked提供的這幾個(gè)原子操作的方法，就不用自己去加鎖實(shí)現(xiàn)這些簡(jiǎn)單的運(yùn)算了。由于是使用的硬件原語(yǔ)，其效率自然也比加鎖高得多。

但是大多數(shù)情況下，問(wèn)題并沒(méi)有執(zhí)行相加相減運(yùn)算那么簡(jiǎn)單，這時(shí)如果不想用鎖的話就要想想辦法了。

以微軟的ConcurrentStack提供的線程安全的堆棧為例，分析一下如何實(shí)現(xiàn)如果往棧頭添加數(shù)據(jù)。

m_head是指向堆頂?shù)闹羔?，在定義的時(shí)候由于是多線程訪問(wèn)的，所以要加上volatile修飾符：

如果是單線程的，那么入棧語(yǔ)句就是下面這個(gè)樣子：

假如有兩個(gè)線程并發(fā)訪問(wèn)入棧方法的話，那么可能會(huì)產(chǎn)生如下情況：第一個(gè)線程執(zhí)行完第二條語(yǔ)句被打斷，第二個(gè)線程執(zhí)行到第二條語(yǔ)句又切換回第一個(gè)線程，兩個(gè)線程執(zhí)行完后有一個(gè)入棧的元素就不見(jiàn)了。那么如何實(shí)現(xiàn)線程安全呢？M$的代碼是這樣寫的：

首先，Interlocked.CompareExchange比較兩個(gè)元素是否相等，并根據(jù)比較的結(jié)果替換其中一個(gè)元素，返回結(jié)果始終是第一個(gè)元素的原值。這個(gè)方法是原子操作。

那么這段代碼首先設(shè)置newNode的下一節(jié)點(diǎn)為堆棧頂部的元素，接下來(lái)CompareExchange，判斷棧頂元素有沒(méi)有被修改過(guò)。假如此時(shí)沒(méi)有另一個(gè)線程修改棧頂元素，那么m_head還是原來(lái)的值（上一條語(yǔ)句設(shè)置的新棧頂?shù)南乱粋€(gè)元素），此時(shí)就可以安全地把棧頂指針指向新元素，操作完成（return）。注意CompareExchange是原子操作的，所以在這期間棧頂元素不可能再被修改。

如果比較結(jié)果不相等，那么說(shuō)明棧頂元素已經(jīng)被其他線程修改了（此時(shí)返回值就是被修改后的棧頂，和上一條語(yǔ)句設(shè)置m_next不一樣），這樣CompareExchange就不會(huì)修改m_head，說(shuō)明入棧不成功，執(zhí)行PushCore方法。

這個(gè)東東的代碼如下：

可以看到其邏輯還是和上面那個(gè)一樣，只是加了一個(gè)循環(huán)直到操作完成。在這期間使用了一個(gè)SpinWait對(duì)象和SpinOnce方法，那么我們又要了解一下這是干嘛的。

關(guān)于SpinWait對(duì)象，M$的說(shuō)明是：System.Threading.SpinWait 是一個(gè)輕量同步類型，可以在低級(jí)別方案中使用它來(lái)避免內(nèi)核事件所需的高開(kāi)銷的上下文切換和內(nèi)核轉(zhuǎn)換。

關(guān)于它的說(shuō)明還有一堆，你可以參考這里。如果不想看那么多，那么只需了解它的使用場(chǎng)合是在資源不會(huì)被占用很長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)候進(jìn)行等待，以用戶模式自旋以避免高額的開(kāi)銷。

SpinOnce的說(shuō)明很簡(jiǎn)單，就是執(zhí)行單一自旋，可以理解為等待一個(gè)很短的時(shí)間?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)自旋此時(shí)達(dá)到5次時(shí)，會(huì)切換到同一處理器上的另一個(gè)線程，當(dāng)達(dá)到20次時(shí)，會(huì)調(diào)用Thread的Sleep方法阻塞當(dāng)前線程，此時(shí)可以切換到其他同優(yōu)先級(jí)或更高優(yōu)先級(jí)的線程上去。

這樣，就可以避免加鎖（lock free）的高昂代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)線程的同步。

但是有的時(shí)候我們不能保證線程安全。比如堆棧的Count屬性，在程序調(diào)用這個(gè)屬性后，我們并不能保證這個(gè)屬性返回的時(shí)候是正確的，在返回到應(yīng)用程序的線程前元素?cái)?shù)量是有可能變化的，因此我們也就只能保證我們的返回值曾經(jīng)正確。

不過(guò)顯而易見(jiàn)，這是可以接受的。對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，假如我們要訪問(wèn)一個(gè)多線程字典（ConcurrentDictionary）中的指定元素，我們不應(yīng)該是先判斷是否為空再取元素（因?yàn)樵乜赡茉谶@兩步操作之間被刪掉），而是應(yīng)該使用TryGetValue這種保證線程安全的方法來(lái)進(jìn)行操作。

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