在多線程環(huán)境中，多個線程可能會同時訪問同一個資源，為了避免訪問發(fā)生沖突，可以根據(jù)訪問的復雜程度采取不同的措施

原子操作適用于簡單的單個操作，無鎖算法適用于相對簡單的一連串操作，而線程鎖適用于復雜的一連串操作

原子操作

修改狀態(tài)要么成功且狀態(tài)改變，要么失敗且狀態(tài)不變，并且外部只能觀察到修改前或者修改后的狀態(tài)，修改中途的狀態(tài)不能被觀察到

.NET 中，System.Threading.Interlocked 類提供了用于執(zhí)行原子操作的函數(shù)，這些函數(shù)接收引用參數(shù)（ref），也就是變量的內(nèi)存地址，然后針對該內(nèi)存地址中的值執(zhí)行原子操作

無鎖算法

不使用線程鎖，通過修改操作的內(nèi)容使它們滿足原子操作的條件

.NET 提供了一些線程安全的數(shù)據(jù)類型，這些數(shù)據(jù)類型大量應用了無鎖算法來提升訪問速度（在部分情況下仍需要線程鎖）：

System.Collections.Consurrent.CurrentBag

System.Collections.Consurrent.CurrentDictionary<TKey, TValue>

System.Collections.Consurrent.CurrentQueue

System.Collections.Consurrent.CurrentStack

線程鎖

有獲取鎖（Acquire）和釋放鎖（Release）兩個操作，在獲取鎖之后和釋放鎖之前進行的操作保證在同一個時間只有一個線程執(zhí)行，操作內(nèi)容無需改變，所以線程鎖具有很強的通用性

線程鎖有不同的種類，下面將分別介紹自旋鎖，互斥鎖，混合鎖，讀寫鎖

自旋鎖

自旋鎖（Spinlock）是最簡單的線程鎖，基于原子操作實現(xiàn)

它使用一個數(shù)值來表示鎖是否已經(jīng)被獲取，0表示未被獲取，1表示已經(jīng)獲取

獲取鎖時會先使用原子操作設置數(shù)值為1，然后檢查修改前的值是否為0，如果為0則代表獲取成功，否則繼續(xù)重試直到成功為止

釋放鎖時會設置數(shù)值為0，其他正在獲取鎖的線程會在下一次重試時成功獲取

使用原子操作的原因是，它可以保證多個線程同時把數(shù)值0修改到1時，只有一個線程可以觀察到修改前的值為0，其他線程觀察到修改前的值為1

.NET 可以使用以下的類實現(xiàn)自旋鎖：

System.Threading.Thread.SpinWait

System.Threading.SpinWait

System.Threading.SpinLock

使用自旋鎖有個需要注意的問題，自旋鎖保護的代碼應該在非常短的時間內(nèi)執(zhí)行完畢，如果代碼長時間運行則其他需要獲取鎖的線程會不斷重試并占用邏輯核心，影響其他線程運行

此外，如果 CPU 只有一個邏輯核心，自旋鎖在獲取失敗時應該立刻調(diào)用 Thread.Yield 函數(shù)提示操作系統(tǒng)切換到其他線程，因為一個邏輯核心同一時間只能運行一個線程，在切換線程之前其他線程沒有機會運行，也就是切換線程之前自旋鎖沒有機會被釋放

互斥鎖

由于自旋鎖不適用于長時間運行，它的使用場景比較有限，更通用的線程鎖是操作系統(tǒng)提供的基于原子操作與線程調(diào)度實現(xiàn)的互斥鎖（Mutex）

與自旋鎖一樣，操作系統(tǒng)提供的互斥鎖內(nèi)部有一個數(shù)值表示是否已經(jīng)被獲取，不同的是當獲取鎖失敗時，它不會反復重試，而是安排獲取鎖的線程進入等待狀態(tài)，并把線程對象添加到鎖關聯(lián)的隊列中，另一個線程釋放鎖時會檢查隊列中是否有線程對象，如果有則通知操作系統(tǒng)喚醒該線程

因為處于等待狀態(tài)的線程沒有運行，即使長時間不釋放也不會消耗 CPU 資源，但讓線程進入等待狀態(tài)與從等待狀態(tài)喚醒并調(diào)度運行可能會花費毫秒級的時間，與自旋鎖重試所需的納秒級時間相比非常的長

.NET 提供了 System.Threading.Mutex 類，這個類包裝了操作系統(tǒng)提供的互斥鎖，它是可重入的，已經(jīng)獲取鎖的線程可以再次執(zhí)行獲取蘇鎖的操作，但釋放鎖的操作也要執(zhí)行相同的次數(shù)，可重入的鎖又叫遞歸鎖（Recursive Lock）

遞歸鎖內(nèi)部使用一個計數(shù)器記錄進入次數(shù)，同一個線程每獲取一次就加1，釋放一次就減1，減1后如果計數(shù)器變?yōu)?就執(zhí)行真正的釋放操作，一般用在嵌套調(diào)用的多個函數(shù)中

Mutex 類的另一個特點是支持跨進程使用，創(chuàng)建時通過構造函數(shù)的第二個參數(shù)可以傳入名稱

如果一個進程獲取了鎖，那么在釋放該鎖前的另一個進程獲取同樣名稱的鎖需要等待；如果進程獲取了鎖，但是在退出之前沒有調(diào)用釋放鎖的方法，那么鎖會被操作系統(tǒng)自動釋放，其他當前正在等待鎖（鎖被自動釋放前進入等待狀態(tài)）的進程會收到 AbandonedMutexException 異常

跨進程鎖通常用于保護多個進程共享的資源或者防止程序多重啟動

混合鎖

互斥鎖 Mutex 使用時必須創(chuàng)建改類型的實例，因為實例包含了非托管的互斥鎖對象，開發(fā)者必須在不使用鎖后盡快調(diào)用 Dispose 函數(shù)釋放非托管資源，并且因為獲取鎖失敗后會立刻安排線程進入等待，總體上性能比較低

.NET 提供了更通用而且更高性能的混合鎖（Monitor），任何引用類型的對象都可以作為鎖對象，不需要事先創(chuàng)建指定類型的實例，并且涉及的非托管資源由 .NET 運行時自動釋放，不需要手動調(diào)用釋放函數(shù)

獲取和釋放混合鎖需要使用 System.Threading.Monitor 類中的函數(shù)

C# 提供了 lock 語句來簡化通過 Monitor 類獲取和釋放的代碼

混合鎖的特征是在獲取鎖失敗后像自旋鎖一樣重試一定的次數(shù)，超過一定次數(shù)之后（.NET Core 2.1 是30次）再安排當前進程進入等待狀態(tài)

混合鎖的好處是，如果第一次獲取鎖失敗，但其他線程馬上釋放了鎖，當前線程在下一輪重試可以獲取成功，不需要執(zhí)行毫秒級的線程調(diào)度處理；而如果其他線程在短時間內(nèi)沒有釋放鎖，線程會在超過重試次數(shù)之后進入等待狀態(tài)，以避免消耗 CPU 資源，因此混合鎖適用于大部分場景

讀寫鎖

讀寫鎖（ReaderWriterLock）是一個具有特殊用途的線程鎖，適用于頻繁讀取且讀取需要一定時間的場景

共享資源的讀取操作通常是可以同時執(zhí)行的，而普通的互斥鎖不管是讀取還是修改操作都無法同時執(zhí)行，如果多個線程為了讀取操作而獲取互斥鎖，那么同一時間只有一個線程可以執(zhí)行讀取操作，在頻繁讀取的場景下會對吞吐量造成影響

讀寫鎖分為讀取鎖和寫入鎖，線程可以根據(jù)對共享資源的操作類型選擇獲取讀寫鎖還是寫入鎖，讀取鎖可以被多個線程同時獲取，寫入鎖不可以被多個線程同時獲取，而且讀取鎖和寫入鎖不可以被不同的線程同時獲取

.NET 提供的 System.Threading.ReaderWriterLockSlim 類實現(xiàn)了讀寫鎖，

讀寫鎖也是一個混合鎖（Hybird Lock）,在獲取鎖時通過自旋重試一定的次數(shù)再進入等待狀態(tài)

此外，它還支持同一個線程先獲取讀寫鎖，然后再升級為寫入鎖，適用于“需要先獲取讀寫鎖，然后讀取共享數(shù)據(jù)判斷是否需要修改，需要修改時再獲取寫入鎖”的場景

參考資料

《.NET Core 底層入門》

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的C# lock 语法糖实现原理--《.NET Core 底层入门》之自旋锁，互斥锁，混合锁，读写锁...的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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