关于高并发下多线程数据处理

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作者:Serviceboy

一、Lock：

C#中关键字lock（VB.NET中SyncLock，等同于try+finally的Monitor.Enter……Monitor.Exit）。原理是“每次线程进入后锁住当前所有的内存区块等相关区域，由该线程自行处理完毕全部的线程后自动释放”，接着其余线程抢先进入。

优点：最为大众所知的一种多线程处理方法，最为普遍的解决方案。

缺点：无法完全适应高并发场合下处理需求——原因：每次让大量线程在外边排队等候（因为一次只能一个线程处理lock区块），而且外边排队的线程总是要在Windows操作系统、临界区等上下文环境切换。（想一想：假设有一个厕所，每次一个人进去大便，因为有人你进不了，也不知道人家啥时候出来……所以尴尬的你只能到休息区去暂时休息打盹、看报、聊天……，等一阵然后再去看看厕所是否处于可用状态……）。这里的“厕所”的门就是“临界区”，“临界区”里边就是受保护的代码，“厕所”和“休息区”是两个不同的上下文地区，整个公司就是一个Windows操作系统。所以这种lock方式的上下文切换本身就是尝试性地试探是否可以进入，不可以则上下文切换休眠。当然消耗资源也是大的——除非你可以“估计”到每个线程处理的时间差不多等于线程休眠从上下文切换的时间，而且外部排队线程不是很多的情况下。

二、取代lock的“原子锁”：

本质上是CPU级别的锁，最小粒度的。用于保证一次性数据原子量的完成。在NET中有InterLock类可以提供最简单的诸如Increment，Decrement等原子性操作方法。如果要实现共享代码，完全可以用以下方法尝试实现：

private volatile int _isFree = 0;

public void GeneralLockCode(Action act = null)
{
     try
     {
        if(InterLock.Exchange(ref _isFree, 1) == 0)  
        {
              if(act != null)
               act();
        }
     }
     finally
     {
           InterLock.Exchange(ref _isFree, 0);
     }
}

“_isFree”是一个类级别的变量，如果是0表示尚无线程使用act代码（表示允许线程进来）。每次进入此代码之后，有一个Exchange函数，这个函数是内存原子操作函数，它的作用是：1）把“1”赋值给_isFree。2）返回_isFree以前状态的值（在这两步中不允许其它线程干扰对_isFree进行变化）。

假设有2个线程（A和B）。A抢到了执行了Exchange方法，得到结果true；此时_isFree立马变成了1。此时B线程再次执行Exchange，_isFree重新被赋值为1，但是返回了线程A时候处理的状态1，因为1不会等于0，所以act方法不会执行——直到A执行了finally方法为止。

上面的代码加以改进，就完全可以变成一个通用的，比lock更好一点的“排它锁”：

private volatile int _isFree = 0;

public void GeneralLock(Action act)
{
      try
      {
            while(InterLock.Exchange(ref _isFree,1) == 1);
            act();
      }
      finally
      {
           InterLock.Exchange(ref _isFree,0);
      }
}

该锁一目了然——也只允许一个线程进入，其余线程外面等待。但是该方法的好处在于——如果act方法足够小（耗时小，时间短），那么当某个线程抢先进入的时候，其余的线程不是像Lock块一样上下文切换，而是直接在临界区“候着”自旋，直到act被执行完毕，锁标记释放为止。之所以要“act耗时足够小”，是因为这里如果高并发的话，没有抢到机会执行act的线程不得不一直处于“自旋”状态，空耗CPU资源。

我们可以通过尝试在while里边加Thread.Sleep，Sleep的毫秒可以随着失败的轮询次数不断试探性增长，或者干脆使用SpinWait或者Thread的SpinUntil代替while，以便于这个CAS的锁更好地适用于一般高并发场合下的应用。

【方案1】

private volatile int _isFree = 0;

public void GeneralLock(Action act)
{
     SpinWait wait = new SpinWait();

      try
      {
             
            while(InterLock.Exchange(ref _isFree,1) == 1)

                  {wait.SpinOnce();}

   act();
      }
      finally
      {
           InterLock.Exchange(ref _isFree,0);
      }
}

【方案2】

private volatile int _isFree = 0;

public void GeneralLock(Action act)
{
      try
      {
           Thread.SpinUntil (() => InterLock.Exchange(ref _isFree,1) == 0);  //Until，直到isFree=0，即等到可用状态。
           act();
      }
      finally
      {
           InterLock.Exchange(ref _isFree,0);
      }
}

三、CAS法则：

InternLock中有一个Compare And Swap原子操作，其函数是（以NET为主）：

InternLock.CompareExchange(ref 原来变量，替代变量，比较值），函数结果返回“原来变量”前一次的值（被“替代变量”取代前的数值）。

根据这个函数，我们完全可以在把每个线程中拷贝自己的一份“原有变量”的值作为“比较值”，“替代变量”在“比较值”基础上进行某些操作，然后使用这个CAS方法保证每次操作的时候都是原子性的，该函数做3件事情：

1）判断“原来变量”是否等于“比较值”。

2）如果1）步返回true，则用“替代变量”替换“原来变量”。

3）返回“原有变量”前一次的值。

再次声明，这个方法也是原子性的。意味着在这个函数的时候无论如何不会被其它线程干扰打断，修改变量。那么我们轻而易举可以得到结论——如果有A和B线程，同时修改变量a（假设a共用，初始值为1），那么A线程抢到进去（A线程对a做了拷贝，比较值为1，替代变量为2）。那么当A做CAS的时候，原来变量=比较值，然后把“替代变量”替换“原来变量”，之后返回之前的值1,1=A线程的比较值1，所以成功了。

假设A在执行CAS过程中（或者之前某些步骤），B线程也进来了，（B的比较值也为1，替代变量为2），此时A率先做了CAS，“原来变量”变成了2，此时B做CAS发现原来变量不等于比较值，因此不会进行替代。当然返回的结果也也是被A线程替代后的原来变量的值2，自然也不等于B线程的比较值。所以B线程不得不再次去抢——直到满足条件为止。

类似这样的方法，相对于之前讲的“原子锁”而言不存在空转（因为他们每次都尝试生产一个自己的方案，然后分别去抢；不像“原子锁”中的while处于Sleep空转或者忙转情况），但是他们也是死循环尝试探测是否可以抢到原子锁的，所以仍然不排除CPU资源被大量占用的情况。所以也完全可以尝试先判断一次是否抢到，抢到直接退出循环；否则继续抢或者进行优化的“自旋”，下面给出伪代码结构：

volatile _globalVar = 初始化值;

public void GeneralCAS()
{
      声明 _copyVar和_repVar;
do
           {
              _copyVar = _globalVar;
              _repVar = 在_globalVar基础上改变或者新的值;
           }while(CAS(ref _globalVar,_repVar,_copyVar)!=_copyVar);
}

最后给出一个多线程累加的例子：

public struct AtomicNumber
{
      private volatile int _number = 0;
      
      public int GetProcessedNumber (int stepToIncrease = 1)
      {
          int copyNum = _number,newNum = copyNum + stepToIncrease;
          for(;;copyNumber = _number,newNum = copyNum+stepToIncrease)
          {
                 if(Interlock.CompareExchange(ref _number, newNum, copyNum) == copyNum)
                 {
                       return newNum;
                 }
          }
      }
}

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标签：算法数据结构

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