并发编程 - 线程同步（三）之原子利用Interlocked简介

上一章我们了解了3种处理多线程中共享资源安全的方法，今天我们将更近一步，学习一种针对简单线程同步场景的解决方案——Interlocked。

在此之前我们先学习一个概念——原子利用。
01、原子利用

原子利用，其概念源于化学领域，原子是构成化学元素的普通物质的最小单元；原子也是化学变化中最小的粒子及元素化学性子的最小单元。
借鉴到编程语言中原子利用指：不可分割的利用单元，是指一类不可停止的利用，它在实行时要么全部实行，要么全部不实行，不会被其他利用打断，而实行结果要么全部乐成，要不全部失败，没有其他状态。
我们再回忆一下我们学习线程同步的目标——确保多个线程在访问共享资源时能够按顺序、安全地进行利用，从而避免并发实行带来的数据竞争和不一致的状态。
可以说原子利用天然的解决了多线程共享资源安全问题。
在C#语言中，Interlocked类提供了一系列可以进行原子利用的工具。
02、Interlocked实现原理

Interlocked的原子利用是基于CPU本身实现，是硬件级别的原子指令封装，并且它不需要显式的线程壅闭，因此比传统的锁机制（如互斥锁、信号量等）效率更高，尤其是在高并发的场景下。
线程壅闭是指利用体系把当前线程从运行状态变动为壅闭状态，并且利用体系会把当前线程占用的CPU时间片分配给其他线程，使当前线程尽可能少的占用CPU时间。在分配CPU时间片时会涉及上下文切换等利用。
因此Interlocked的非壅闭特性，严格意义上来说并不是锁，但是效率却比锁高得多。
另外假如一个方法在CPU层面上被设计为对立不可分割的指令，那么它本质上就是原子的，严格的原子性可以阻止任何抢占的可能。因此在32位CPU中，一个利用数的大小为32位，因此可以提供32位即4个字节大小及以内的数据范例（如int，float）进行读写的原子利用。同理64位CPU，则可以提供64位级8个字节大小及以内的数据范例（如long，double）进行读写的原子利用。
其实在上一章也举个一个例子，在32位CPU环境下利用long范例，多线程情况下会出现线程不完全问题，因为对于32位CPU，利用一次long范例数据至少需要两个原子指令，因此就会出现线程安全问题。
03、Interlocked常用方法

Interlocked方法从.NET Framework 1.1到现在最新的.NET 9也经历了长足的发展和完善。可以总结为：支持的利用范例在增长，利用能力也再增长，由早期的简单递增、递减、替换利用到如今的复杂位利用，内存屏障利用等。
下面我们先整体了解一下Interlocked有那些方法。

• Read： 原子的读取64位值；
  
• Increment： 原子的递增指定的变量，并返回递增后的新值；
  
• Decrement： 原子的递减指定的变量，并返回递减后的新值；
  
• Add： 原子的对两个变量求和，将第一个变量替换为两者和，并返回利用后第一个变量的新值；
  
• Exchange： 原子的交换两个变量，并返回第一个变量的原始值；
  
• Exchange： Exchange方法的泛型版本；
  
• CompareExchange： 原子的比力第一个变量和第三个变量是否相称，假如相称，则将第一个变量替换为第二个变量值，并返回第一个变量的原始值；
  
• CompareExchange： CompareExchange方法的泛型版本；
  
• And： 原子的对两个变量进行按位与利用，将第一个变量替换为利用结果，并返回第一个变量的原始值；
  
• Or： 原子的对两个变量进行按位或利用，将第一个变量替换为利用结果，并返回第一个变量的原始值；
  
• MemoryBarrier： 强制实行内存屏障，作用范围当前线程，无返回值；
  
• MemoryBarrierProcessWide： 提供进程范围的内存屏障，确保任何 CPU 的读取和写入无法跨屏障移动；
  

背面我们将详细讲解每个方法的如何使用。
注：测试方法代码以及示例源码都已经上传至代码库，有爱好的可以看看。https://gitee.com/hugogoos/Planner

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