多執行緒下解決資源競爭的7種方法

藍建榮發表於2019-08-13

前言

　　一般情況下，只要涉及到多執行緒程式設計，程式的複雜性就會顯著上升，效能顯著下降，BUG出現的概率大大提升。

多執行緒程式設計本意是將一段程式並行執行，提升資料處理能力，但是由於大部分情況下都涉及到共有資源的競爭，所以修改資源

物件時必須加鎖處理。但是鎖的實現有很多種方法，下面就來一起了解一下在C#語言中幾種鎖的實現與其效能表現。

一、c#下的幾種鎖的運用方式

1、臨界區，通過對多執行緒的序列化來訪問公共資源或一段程式碼，速度快，適合控制資料訪問。

 1         private static object obj = new object();
 2         private static int lockInt;
 3         private static void LockIntAdd()
 4         {
 5             for (var i = 0; i < runTimes; i++)
 6             {
 7                 lock (obj)
 8                 {
 9                     lockInt++;
10                 }
11             }
12         }

你沒看錯，c#中的lock語法就是臨界區(Monitor)的一個語法糖，這大概是90%以上的.net程式設計師首先想到的鎖，不過大部分人都只是知道

有這麼個語法，不知道其實是以臨界區的方式處理資源競爭。

2、互斥量，為協調共同對一個共享資源的單獨訪問而設計的。

c#中有一個Mutex類，就在System.Threading名稱空間下，Mutex其實就是互斥量，互斥量不單單能處理多執行緒之間的資源競爭，還能處理

程式之間的資源競爭，功能是比較強大的，但是開銷也很大，效能比較低。

 1         private static Mutex mutex = new Mutex();
 2         private static int mutexInt;
 3         private static void MutexIntAdd()
 4         {
 5             for (var i = 0; i < runTimes; i++)
 6             {
 7                 mutex.WaitOne();
 8                 mutexInt++;
 9                 mutex.ReleaseMutex();
10             }
11         }

3、訊號量，為控制一個具有有限數量使用者資源而設計。

 1         private static Semaphore sema = new Semaphore(1, 1);
 2         private static int semaphoreInt;
 3         private static void SemaphoreIntAdd()
 4         {
 5             for (var i = 0; i < runTimes; i++)
 6             {
 7                 sema.WaitOne();
 8                 semaphoreInt++;
 9                 sema.Release();
10             }
11         }

4、事件：用來通知執行緒有一些事件已發生，從而啟動後繼任務的開始。

 1         public static AutoResetEvent autoResetEvent = new AutoResetEvent(true);
 2         private static int autoResetEventInt;
 3         private static void AutoResetEventIntAdd()
 4         {
 5             for (var i = 0; i < runTimes; i++)
 6             {
 7                 if (autoResetEvent.WaitOne())
 8                 {
 9                     autoResetEventInt++;
10                     autoResetEvent.Set();
11                 }
12             }
13         }

5、讀寫鎖，這種鎖允許在有其他程式正在寫的情況下讀取資源，所以如果資源允許髒讀，用這個比較合適

 1         private static ReaderWriterLockSlim LockSlim = new ReaderWriterLockSlim();
 2         private static int lockSlimInt;
 3         private static void LockSlimIntAdd()
 4         {
 5             for (var i = 0; i < runTimes; i++)
 6             {
 7                 LockSlim.EnterWriteLock();
 8                 lockSlimInt++;
 9                 LockSlim.ExitWriteLock();
10             }
11         }

6、原子鎖，通過原子操作Interlocked.CompareExchange實現“無鎖”競爭

 1         private static int isLock;
 2         private static int ceInt;
 3         private static void CEIntAdd()
 4         {
 5             //long tmp = 0;
 6             for (var i = 0; i < runTimes; i++)
 7             {
 8                 while (Interlocked.CompareExchange(ref isLock, 1, 0) == 1) { Thread.Sleep(1); }
 9 
10                 ceInt++;
11                 Interlocked.Exchange(ref isLock, 0);
12             }
13         }

7、原子性操作，這是一種特例，野外原子性操作本身天生執行緒安全，所以無需加鎖

1         private static int atomicInt;
2         private static void AtomicIntAdd()
3         {
4             for (var i = 0; i < runTimes; i++)
5             {
6                 Interlocked.Increment(ref atomicInt);
7             }
8         }

8、不加鎖，如果不加鎖，那多執行緒下執行結果肯定是錯的，這裡貼上來比較一下效能

1         private static int noLockInt;
2         private static void NoLockIntAdd()
3         {
4             for (var i = 0; i < runTimes; i++)
5             {
6                 noLockInt++;
7             }
8         }

二、效能測試

1、測試程式碼，執行1000，10000，100000，1000000次

 1         private static void Run()
 2         {
 3             var stopwatch = new Stopwatch();
 4             var taskList = new Task[loopTimes];
 5 
 6             // 多執行緒
 7             Console.WriteLine();
 8             Console.WriteLine($"              執行緒數:{loopTimes}");
 9             Console.WriteLine($"            執行次數:{runTimes}");
10             Console.WriteLine($"        校驗值應等於:{runTimes * loopTimes}");
11 
12             // AtomicIntAdd
13             stopwatch.Restart();
14             for (var i = 0; i < loopTimes; i++)
15             {
16                 taskList[i] = Task.Factory.StartNew(() => { AtomicIntAdd(); });
17             }
18             Task.WaitAll(taskList);
19             Console.WriteLine($"{GetFormat("AtomicIntAdd")}, 總耗時:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}毫秒, 校驗值:{atomicInt}");
20 
21             // CEIntAdd
22             taskList = new Task[loopTimes];
23             stopwatch.Restart();
24 
25             for (var i = 0; i < loopTimes; i++)
26             {
27                 taskList[i] = Task.Factory.StartNew(() => { CEIntAdd(); });
28             }
29             Task.WaitAll(taskList);
30             Console.WriteLine($"{GetFormat("CEIntAdd")}, 總耗時:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}毫秒, 校驗值:{ceInt}");
31 
32             // LockIntAdd
33             taskList = new Task[loopTimes];
34             stopwatch.Restart();
35 
36             for (var i = 0; i < loopTimes; i++)
37             {
38                 taskList[i] = Task.Factory.StartNew(() => { LockIntAdd(); });
39             }
40             Task.WaitAll(taskList);
41             Console.WriteLine($"{GetFormat("LockIntAdd")}, 總耗時:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}毫秒, 校驗值:{lockInt}");
42 
43             // MutexIntAdd
44             taskList = new Task[loopTimes];
45             stopwatch.Restart();
46 
47             for (var i = 0; i < loopTimes; i++)
48             {
49                 taskList[i] = Task.Factory.StartNew(() => { MutexIntAdd(); });
50             }
51             Task.WaitAll(taskList);
52             Console.WriteLine($"{GetFormat("MutexIntAdd")}, 總耗時:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}毫秒, 校驗值:{mutexInt}");
53 
54             // LockSlimIntAdd
55             taskList = new Task[loopTimes];
56             stopwatch.Restart();
57 
58             for (var i = 0; i < loopTimes; i++)
59             {
60                 taskList[i] = Task.Factory.StartNew(() => { LockSlimIntAdd(); });
61             }
62             Task.WaitAll(taskList);
63             Console.WriteLine($"{GetFormat("LockSlimIntAdd")}, 總耗時:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}毫秒, 校驗值:{lockSlimInt}");
64 
65             // SemaphoreIntAdd
66             taskList = new Task[loopTimes];
67             stopwatch.Restart();
68 
69             for (var i = 0; i < loopTimes; i++)
70             {
71                 taskList[i] = Task.Factory.StartNew(() => { SemaphoreIntAdd(); });
72             }
73             Task.WaitAll(taskList);
74             Console.WriteLine($"{GetFormat("SemaphoreIntAdd")}, 總耗時:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}毫秒, 校驗值:{semaphoreInt}");
75 
76 
77             // AutoResetEventIntAdd
78             taskList = new Task[loopTimes];
79             stopwatch.Restart();
80 
81             for (var i = 0; i < loopTimes; i++)
82             {
83                 taskList[i] = Task.Factory.StartNew(() => { AutoResetEventIntAdd(); });
84             }
85             Task.WaitAll(taskList);
86             Console.WriteLine($"{GetFormat("AutoResetEventIntAdd")}, 總耗時:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}毫秒, 校驗值:{autoResetEventInt}");
87 
88             // NoLockIntAdd
89             taskList = new Task[loopTimes];
90             stopwatch.Restart();
91 
92             for (var i = 0; i < loopTimes; i++)
93             {
94                 taskList[i] = Task.Factory.StartNew(() => { NoLockIntAdd(); });
95             }
96             Task.WaitAll(taskList);
97             Console.WriteLine($"{GetFormat("NoLockIntAdd")}, 總耗時:{stopwatch.ElapsedMilliseconds}毫秒, 校驗值:{noLockInt}");
98             Console.WriteLine();
99         }