C# Interlocked 笔记

无锁代码下，在读写字段时使用内存屏障往往是不够的。在 64 位字段上进行加、减操作需要使用Interlocked工具类这样更加重型的方式。Interlocked也提供了Exchange和CompareExchange方法，后者能够进行无锁的读-改-写（read-modify-write）操作，只需要额外增加一点代码。

如果一条语句在底层处理器上被当作一个独立不可分割的指令，那么它本质上是原子的（atomic）。严格的原子性可以阻止任何抢占的可能。对于 32 位（或更低）的字段的简单读写总是原子的。而操作 64 位字段仅在 64 位运行时环境下是原子的，并且结合了多个读写操作的语句必然不是原子的：

class Atomicity
{
  static int _x, _y;
  static long _z;

  static void Test()
  {
    long myLocal;
    _x = 3;             // 原子的
    _z = 3;             // 32位环境下不是原子的（_z 是64位的）
    myLocal = _z;       // 32位环境下不是原子的（_z 是64位的）
    _y += _x;           // 不是原子的 (结合了读和写操作)
    _x++;               // 不是原子的 (结合了读和写操作)
  }
}

在 32 位环境下读写 64 位字段不是原子的，因为它需要两条独立的指令：每条用于对应的 32 位内存地址。所以，如果线程 X 在读一个 64 位的值，同时线程 Y 更新它，那么线程 X 最终可能得到新旧两个值按位组合后的结果（一个撕裂读（torn read））。

编译器实现x++这种一元运算，是通过先读一个变量，然后计算，最后写回去的方式。考虑如下类：

class ThreadUnsafe
{
  static int _x = 1000;
  static void Go() { for (int i = 0; i < 100; i++) _x--; }
}

抛开内存屏障的事情，你可能会认为如果 10 个线程并发运行Go，最终_x会为0。然而，这并不一定，因为可能存在竞态条件（race condition），在一个线程完成读取x的当前值，减少值，把值写回这个过程之间，被另一个线程抢占（导致一个过期的值被写回）。

当然，可以通过用lock语句封装非原子的操作来解决这些问题。实际上，锁如果一致的使用，可以模拟原子性。然而，Interlocked类为这样简单的操作提供了一个更方便更快的方案：

class Program
{
  static long _sum;

  static void Main()
  {                                                             // _sum
    // 简单的自增/自减操作:
    Interlocked.Increment (ref _sum);                              // 1
    Interlocked.Decrement (ref _sum);                              // 0

    // 加/减一个值:
    Interlocked.Add (ref _sum, 3);                                 // 3

    // 读取64位字段:
    Console.WriteLine (Interlocked.Read (ref _sum));               // 3

    // 读取当前值并且写64位字段
    // (打印 "3"，并且将 _sum 更新为 10 )
    Console.WriteLine (Interlocked.Exchange (ref _sum, 10));       // 10

    // 仅当字段的当前值匹配特定的值（10）时才更新它：
    Console.WriteLine (Interlocked.CompareExchange (ref _sum,
                                                    123, 10);      // 123
  }
}

Interlocked上的所有方法都使用全栅栏。因此，通过Interlocked访问字段不需要额外的栅栏，除非它们在程序其它地方没有通过Interlocked或lock来访问。

Interlocked的数学运算操作仅限于Increment、Decrement以及Add。如果你希望进行乘法或其它计算，在无锁方式下可以使用CompareExchange方法（通常与自旋等待一起使用）。我们会在并行编程中提供一个例子。

Interlocked类通过将原子性的需求传达给操作系统和虚拟机来进行实现其功能。

Interlocked类的方法通常产生 10ns 的开销，是无竞争锁的一半。此外，因为它们不会导致阻塞，所以不会带来上下文切换的开销。然而，如果在循环中多次迭代使用Interlocked，就可能比在循环外使用一个锁的效率低（不过Interlocked可以实现更高的并发度）。