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C#中Interlocked不能保證的事情

Interlocked類MSDN中對他的定義為:為變量在多線程共享的情況下提供原子操作。

很多人對於Interlocked的使用,僅限於Interlocked.Increment方法,這個方法在多線程環境下,總可以保證變量自增的正確性。

那麼原子方法的定義是什麼呢?顧名思義,原子一般認為是不可再分的,所以原子方法就是不可再分的方法,即在一個原子操作中,處理器能夠在一個指令傳輸中完成讀值和寫值, 也就是說,在原子操作完成之前,任何IO機制或處理器都不能對這個內存進行讀寫操作。原子操作常常被使用於大多數操作系統的內核和基礎類庫中,而且大多數的計算機硬件,編譯器和類庫都支持了各個層面上的原子操作。

很多人認為使用原子操作能夠保證多線程下的數據的正確性。那麼看下面的代碼:

 class Program
{
static private object _obj = new object();
static void Main(string[] args)
{
int count = 0;
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
int x = 2;
Task t1 = Task.Factory.StartNew(() => { InterlockedMultiply(ref x, 10); });
Task t2 = Task.Factory.StartNew(() => { Interlocked.Increment(ref x); });
Task.WaitAll(t1, t2);
if (x != 21 && x != 30)
{
Console.WriteLine(x);
count++;
}
}
Console.WriteLine("值不為21且不為30的次數:"+count);
Console.WriteLine("done!");
}
static void InterlockedMultiply(ref int x, int y)
{
lock (_obj)
{
x = x * y;
}
}
}

上述代碼中,循環體中,開2個task,可以認為是2個線程,這2個線程運行2個方法,一個是原子方法,另一個是加了鎖的方法。

先用常規的思路分析一下:

由於t2是原子操作,所以保證x的值可以被自增,不會受其他線程的干擾,t1中運行的方法是InterlockedMultiply,並加入lock。

當方法運行的時候,要麼是t1先運行,要麼是t2先運行,所以,要麼值為(2+1)*10=30,要麼值為(2*10)+1=21。

但是當運行的時候,循環10000次後,結果為:

值不為21且不為30的次數:103。

導致這種問題的原因,在於InterlockedMultiply的實現,看下面的細節圖

當t2在讀取完x的後,把該值讀到寄存器中,寄存器中的值為2了,而t1中的原子操作對x做了自增,也就是說此時x是3了,接著,t2線程在寄存器中把該值乘以10後,寫入到內存,然後下一個時刻釋放鎖,此時就把之前的值有覆蓋成20了。

也就是說雖然2個線程中的代碼都是各自獨立的,但是在並發情況下,還是不能保證值的正確性。原因如下:

1.由於我們模擬的InterlockedMultiply方法中的操作,並不具備原子性。雖然加了lock,但是對於那些無需獲取鎖就能訪問x的函數體來說,它們是可以直接修改x的。也就是說,這裡加了lock也沒什麼用。

2.Interlocked.Increment能夠保證的是該操作是原子性的,在它將值設為3的期間,不會有其他操作讀寫x。(這點很重要,如果這點不能保證,那麼上面的情況中會出現:

假設原本step6,step7中的操作在step5期間進行,當t2的操作快於t1先完成時,那麼X的值先被設成了20,然後又立刻被t1設成了3,這就導致了值會是3的情況出現。)

3.雖然Interlocked.Increment使得x的自增具備原子性,但它不能夠保證的是:但它不能夠保證的是:其他線程在操作x時,拿到的x的值是最新的。

基於上面的分析,可以得出一個結論,多線程下的並發編程,需要考慮的更周到,原子操作並不保證多線程環境下的值總是對的。

如果要實現上面的InterlockedMultiply方法,參考文檔中的寫法是采用了do while的循環,這個操作就使得t2線程在那邊不斷的重試,其實也不是最好的辦法。我能想到的辦法是把t2中也加鎖:

Task t2 = Task.Factory.StartNew(() => { lock (_obj) { Interlocked.Increment(ref x); } });

C#多線程編程實例 線程與窗體交互【附源碼】 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-07/104294.htm

C#數學運算表達式解釋器 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-07/104289.htm

在C語言中解析JSON配置文件 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101822.htm

C++ Primer Plus 第6版 中文版 清晰有書簽PDF+源代碼 http://www.linuxidc.com/Linux/2014-05/101227.htm

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