之前讨论了基元用户模式和内核模式线程同步构造。其他所有线程同步构造都基于它们,而且一般都合并了用户模式和内核模式构造,我们称为混合线程同步构造。没有线程竞争时,混合构造提供了基元用户模式构造所具有的性能优势。多个线程竞争一个构造时,混合构造通过基元内核模式的构造来提供不自旋的优势。由于大多数应用程序的线程都很少同时竞争一个构造,所以性能上的增强可以使你的应用程序表现得更出色。
本章最后展示如何使用fcl的并发集合类来取代混合构造,从而最小化资源使用并提升性能。同时还讨论了异步的同步构造,允许以同步方式访问资源,同时不造成任何线程的阻塞,从而减少资源消耗,并提高了伸缩性。
一个简单的混合锁
internal sealed class SimpleHybridLock:IDisposable { //int由基元用户模式构造(interlocked的方法)使用 private Int32 m_waiters = 0; //autoResetEvent基元内核模式构造 private AutoResetEvent m_waiterLock = new AutoResetEvent(false); private void Enter() { //指出这个线程想要获得锁 if (Interlocked.Increment(ref m_waiters) ==1) { return;//锁可以使用,无竞争,直接返回 } //另一个线程用有锁(发送竞争),使这个线程等待 m_waiterLock.WaitOne();//这里产生性能消耗,但是也比自旋要好(当然也存在自旋几毫秒就获得锁的情况。。。。) //waitone返回后,这个线程拿到了锁 } public void Leave() { //这个线程准备释放锁 if (Interlocked.Decrement(ref m_waiters)==0) { return; } //其他线程正在阻塞,唤醒其中一个 m_waiterLock.Set(); } public void Dispose() { m_waiterLock.Dispose(); } }
SimpleHybridLock包含两字字段:一个int32,由基元用户模式的构造来操作;以及一个AutoResetEvent,他是一个基元内核模式的构造。为了获得出色的性能,锁要尽量操作int32,尽量少操作AutoResetEvent。也有出现竞争情况才去创建AutoResetEvent的设计,后面的示例代码也有这种设计。
在实际应用中,任何线程都可以在任何时候调用leave方法,因为enter并没有记录哪个线程获得了锁。虽然可以添加字段和代码维护这个信息,但是会增大内存开销而且影响enter和leave的性能,我情愿有一个性能高超的锁,并确保我的代码以正确的方式使用它。你会注意到,事件和信号量都没有维护这种信息,只有互斥体才有维护。
自旋、线程所有权和递归
由于转换为内核模式会造成巨大的性能损失,而且线程占有锁的时间通常很短,所以为了提升应用的总体性能,可以让一个线程在用户模式自旋一小段时间,再让线程转换为内核模式。如果线程正在等待的锁在自旋期间变得可用,就能避免模式转换了。
此外,有的锁限制只能由获得锁的线程释放锁,有的锁允许递归,所以可以通过一些逻辑支持自旋、线程所有权和递归,下面是一个例子:
internal sealed class AnotherHybridLock:IDisposable { //int由基元用户模式构造(interlocked的方法)使用 private Int32 m_waiters = 0; //autoResetEvent基元内核模式构造 private AutoResetEvent m_waiterLock = new AutoResetEvent(false); //这个字段控制自旋,希望能提升性能 private Int32 m_spincount = 4000; //这些字段指出哪个线程拥有锁,以及拥有了多少次 private Int32 m_owingThreadId=0,m_recursion=0; private void Enter() { //如果调用线程已经拥有锁,递增递归计数并返回 Int32 threadId = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId; if (threadId==m_owingThreadId) { m_recursion++;return; } //调用线程不拥有锁,尝试获取他 SpinWait spinwait = new SpinWait(); for (int i = 0; i < m_spincount; i++) { //锁国锁可以自由使用了,这个线程获取 //比较location1与comparand,如果不相等,什么都不做;如果location1与comparand相等,则用value替换location1的值。无论比较结果相等与否,返回值都是location1中原有的值 if (Interlocked.CompareExchange(ref m_waiters,1,0) == 0) { goto GotLock; } //黑科技:给其他线程运行的机会,希望锁会被释放 spinwait.SpinOnce(); } //自旋结束,再次尝试 if (Interlocked.Increment(ref m_waiters) > 1) { //仍然是竞争状态,线程阻塞 m_waiterLock.WaitOne(); //等待结束之后,他拥有锁 } GotLock: //一个线程获得锁时,记录他的id,并指出线程拥有锁一次 m_owingThreadId = threadId;m_recursion = 1; } public void Leave() { //这个线程准备释放锁 if (Interlocked.Decrement(ref m_waiters) == 0) { return; } //其他线程正在阻塞,唤醒其中一个 m_waiterLock.Set(); } public void Dispose() { m_waiterLock.Dispose(); } }