.NET(C#)：再議實值型別 – 原子性

兩年前我曾經寫過一篇講理解實值型別，參考型別的文章，主要是講常見的實值型別，參考型別的區別。但是這兩種類型的淵源不止那些，今天就說說實值型別線上程方面的原子性問題。

目錄

• 0. 概念闡述
• 1. 使用Interlocked類型
• 2. 使用參考型別來聲明
• 3. 通過裝箱和拆箱
• 4. 使用lock

 

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0. 概念闡述

首先我想專門強調一下，“原子性”和“安全執行緒”屬於容易混淆的概念，解決了“原子性”不等於解決了“安全執行緒”，但是如果連“原子性”都沒有保證，那麼肯定不是“安全執行緒”的。“原子性”屬於“安全執行緒”考慮的一個範疇，本文也僅僅是討論“原子性”問題。

 

根據C#語言標準的描述，只有如下類型的讀寫是保證具有原子性的：

bool, char, byte, sbyte, short, ushort, uint, int, float，參考型別，和以上述實值型別做為底層類型的枚舉類型。

但同時注意這些類型的運算（包含遞增++和遞減--）不是原子性的。

 

但是根據CLI標準。

I.12.6.6（Atomic reads and writes）：CLI應該保證如下類型的讀寫是原子性的：

在記憶體中正確對其的位置，且大小不大於CPU一次性處理的字大小（也就是所謂的WORD大小，等於本地int大小）。

 

那麼可以推理出在64位CPU的環境下，64位的內建類型（如long, ulong, double）的讀寫也是具有原子性的。這一點在Eric Lippert的部落格中敘述過。不過注意，Eric Lippert也在其文章中提到由於這是CLI的規定，而不是C#語言的規定，因此某些非標準CLI執行環境可能會打破這個推斷。因此對於這些特殊類型，我個人覺得最好還是用Interlocked類型提供的操作，或者使用lock。下文會詳細講這些內容。

 

下面開始闡述嘗試解決實值型別原子性的各種方法，越是上面的方法越推薦使用。

 

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1. 使用Interlocked類型

對於解決實值型別的原子性問題，首先考慮的類型就是System.Threading.Interlocked類型。如，Interlocked類型的方法成員：

可以看到，Interlocked類型提供多種形式的原子性操作：讀取，寫入，遞增，遞減等。同時還支援多種類型。

 

使用Interlocked類型提供的方法可以減少lock的使用從而增加效能，比如實現一個計數器的添加原子性操作，其實是沒有必要像這樣使用lock的：

readonly object locker = new object();

 

int myVar;

//執行原子性增值操作的方法

public void AtomicIncrement(int increment)

{

    lock (locker)

    {

        myVar += increment;

    }

}

 

完全可以使用Interlocked類型來執行這個原子性操作，使用如下更推薦的代碼：

int myVar;

//執行原子性增值操作的方法

public void AtomicIncrement(int increment)

{

    Interlocked.Add(ref myVar, increment);

}

這不僅會增加效能，還減少了代碼，不需要聲明用於lock的對象。

 

因此，如果能用到Interlocked的話，盡量就用Interlocked類型去解決問題，當然也肯定會有Interlocked類型不支援的方法，比如Read方法只支援long參數，沒有double。（這個問題之後會被解決的）

 

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2. 使用參考型別來聲明

比如這樣一個實值型別：

struct MyStruct

{

    public long Data1;

    public double Data2;

}

 

顯然，該類型的對象佔用空間肯定是大於等於128位的，無論在32位還是64位CPU環境下，該類型的讀寫操作都不具備原子性的。而且Interlocked類型不支援使用者定義的結構體，那麼怎樣使其具備原子性呢？

其實如果可以的話，這裡最好的方法就是把它改成class，是的，參考型別的讀寫始終是具備原子性的。這樣的話我們仍然可以不用lock。

//把MyStruct改成MyClass，該類型的讀寫具備了原子性

class MyClass

{

    public long Data1;

    public double Data2;

}

 

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3. 通過裝箱和拆箱

假設我們無法把上面的MyStruct結構體定義成參考型別，怎樣解決原子性讀寫的問題？還有一個小詭計的，先來描述一下問題，我們先聲明一個MyStruct結構體的屬性：

public MyStruct MyStructObject { get; set; }

 

顯然，MyStruct結構體的讀寫是不具備原子性的，如果一個線程在寫入MyStructObject屬性，而另一個線程在讀取MyStructObject變數，那麼可能會輸出意想不到的值，因為有可能在一個線程寫入了一半的時候，另一個線程開始了讀取操作。於是另一個線程通過MyStructObject屬性讀取的值可能既不是寫入前，也不是寫入後的值，而是部分寫入部分原始的不完整狀態。

//一個線程在寫入

MyStructObject = new MyStruct() { Data1 = 2, Data2 = 3 };

 

//另一個線程在讀取

//輸出既不是寫入前，也不是寫入後的值，而是部分寫入部分原始的不完整狀態！

Console.WriteLine("{0} {1}", MyStructObject.Data1, MyStructObject.Data2);

 

詭計就是可以使用裝箱和拆箱，把屬性聲明成object，如下：

//宣告類型為object

//對於MyStruct對象的讀寫需要裝箱和拆箱

public static object MyStructObject { get; set; }

 

這樣如果再次遇到上面的多線程讀寫代碼，不會有問題發生（注意讀取MyStructObject屬性時需要一次強制轉換，也就是裝箱操作），因為此時讀寫操作會進行裝箱拆箱操作，最終操作的是object引用對象，它的讀寫操作是具備原子性的。

 

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4. 使用lock

上面提到過的方法都有自己的優勢，但是全部不是萬能的，而如果使用lock的話，雖然有額外的效能損耗，但它確是萬能的。所以如果有任何非原子性操作，可以把他嵌套到一個lock中，這樣其他線程就不會打斷這些操作，整個過程具備原子性了！

比如在32位CPU環境下，進行原子的double加法操作，可以這樣：

readonly object locker = new object();

 

double myDouble;

//執行原子性增值操作的方法

public void AtomicIncrement(double increment)

{

    //Interlocked.Add方法不支援double類型！！！

    lock (locker)

    {

        myDouble += increment;

    }

}