Safe locks for multi-thread applications（多线程应用程序的安全锁） ...

Safe locks for multi-thread applications（多线程应用程序的安全锁）

由AB4327-GANDI，2016年1月9日。永世链接
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一旦你的应用程序是多线程的，就应该保护并发数据访问。我们已经写过关于调试多线程应用程序可能很困难的文章。
否则，可能会出现“竞态条件”问题：例如，如果两个线程同时修改一个变量（例如减少计数器），值可能会变得不一致且不安全。逻辑错误的另一个症状是“死锁”，当两个线程错误地利用锁时，会导致整个应用程序好像被阻塞且无响应，从而相互阻塞。
在预期24/7运行且无需维护的服务器体系上，应避免此类问题。
在Delphi中，资源（可能是一个对象或任何变量）的保护通常通过临界区来实现。
临界区是一个对象，用于确保代码的一部分一次只能由一个线程实行。临界区需要在利用之前创建/初始化，并在不再需要时释放。然后，一些代码通过利用Enter/Leave方法举行保护，这将锁定其实行：实际上，只有一个线程会拥有临界区，所以只有一个线程可以大概实行这段代码，其他线程将等待直到锁被释放。为了获得最佳性能，受保护的地区应尽可能小——否则，利用线程的好处可能会失效，因为任何其他线程都会等待拥有临界区的线程释放锁。
我们现在将看到Delphi的 TCriticalSection可能存在的问题，以及我们的框架提出简化临界区在您的应用程序中的利用。
注：在Delphi中，TCriticalSection 是用于管理线程同步的一个类。当多个线程需要访问共享资源时，可以利用 TCriticalSection 来确保每次只有一个线程可以访问该资源，从而防止数据竞争和不一致。然而，TCriticalSection 的利用也可能带来一些问题，比如死锁大概性能瓶颈，因此需要谨慎利用。mORMot框架提供了一些工具和策略来简化 TCriticalSection 的利用，并资助开发者更安全、更有用地管理线程同步。
修复 TRTLCriticalSection

在实践中，您可能会利用一个 TCriticalSection类，大概更低级别的 TRTLCriticalSection记录，后者可能是更好的选择，因为它利用的内存更少，并且可以很容易地作为任何 class定义的（受保护）字段包含进去。
假设我们要保护对变量a和b的任何访问。以下是如何利用临界区方法来实现：

1. var CS: TRTLCriticalSection;
2.     a, b: integer;
3. // 在线程开始前设置
4. InitializeCriticalSection(CS);
5. // 在每个TThread.Execute中：
6. EnterCriticalSection(CS);
7. try // 通过try...finally块保护锁
8.   // 从现在开始，您可以安全地更改变量
9.   inc(a);
10.   inc(b);
11. finally
12.   // 安全块结束
13.   LeaveCriticalSection(CS);
14. end;
15. // 当线程停止时
16. DeleteCriticalSection(CS);

复制代码

在最新版本的Delphi中，您可以利用 TMonitor类，它允许任何Delphi TObject拥有锁。
在XE5之前，存在一些性能问题，即使到现在，这个受Java启发的特性可能也不是最佳方法，因为它与单个对象绑定，并且与较旧版本的Delphi（或FPC）不兼容。
几年前，Eric Grange报告说——拜见这篇博客文章——TRTLCriticalSection（连同 TMonitor）存在严峻的设计缺陷，进入/离开不同的临界区可能会使您的线程序列化，甚至整个性能可能比线程被序列化时更差。这是因为它是一个小的、动态分配的对象，所以几个 TRTLCriticalSection的内存可能最终会落在同一个CPU缓存行中，当发生这种情况时，运行线程的焦点之间会发生大量的缓存冲突。
Eric提出的修复方法非常简单：

1. type
2.    TFixedCriticalSection = class(TCriticalSection)
3.    private
4.      FDummy: array [0..95] of Byte;
5.    end;

复制代码

从T*Locked继承

在定义您自己的类时，您可以继承一些提供 TSynLocker实例的类，如在 SynCommons.pas中定义的：

1.   TSynPersistentLocked = class(TSynPersistent)
2.   ...
3.     property Safe: TSynLocker read fSafe;
4.   end;
5.   TInterfacedObjectLocked = class(TInterfacedObjectWithCustomCreate)
6.   ...
7.     property Safe: TSynLocker read fSafe;
8.   end;
9.   TObjectListLocked = class(TObjectList)
10.   ...
11.     property Safe: TSynLocker read fSafe;
12.   end;
13.   TRawUTF8ListHashedLocked = class(TRawUTF8ListHashed)
14.   ...
15.     property Safe: TSynLocker read fSafe;
16.   end;

复制代码

所有这些类都将在其 constructor/destructor中初始化和闭幕它们所拥有的 Safe实例。
因此，我们可以如许编写我们的类：

1. type
2.   TMyClass = class(TSynPersistentLocked)
3.   protected
4.     fField: integer;
5.   public
6.     procedure UseLockUnlock;
7.     procedure UseProtectMethod;
8.   end;
9. { TMyClass }
10. procedure TMyClass.UseLockUnlock;
11. begin
12.   fSafe.Lock;
13.   try
14.     // 现在我们可以安全地从多个线程访问任何受保护的字段
15.     inc(fField);
16.   finally
17.     fSafe.UnLock;
18.   end;
19. end;
20. procedure TMyClass.UseProtectMethod;
21. begin
22.   fSafe.ProtectMethod; // 调用fSafe.Lock并返回IUnknown本地实例
23.   // 现在我们可以安全地从多个线程访问任何受保护的字段
24.   inc(fField);
25.   // 当IUnknown被释放时，将调用fSafe.UnLock
26. end;

复制代码

如您所见，Safe: TSynLocker实例将在 TSynPersistentLocked父级定义并处理。
注入IAutoLocker实例

如果您的类继承自 TInjectableObject，您甚至可以定义以下内容：

1. type
2.   TMyClass = class(TInjectableObject)
3.   private
4.     fLock: IAutoLocker;
5.     fField: integer;
6.   public
7.     function FieldValue: integer;
8.   published
9.     property Lock: IAutoLocker read fLock write fLock;
10.   end;
11. { TMyClass }
12. function TMyClass.FieldValue: integer;
13. begin
14.   Lock.ProtectMethod;
15.   result := fField;
16.   inc(fField);
17. end;
18. var c: TMyClass;
19. begin
20.   c := TMyClass.CreateInjected([],[],[]);
21.   Assert(c.FieldValue=0);
22.   Assert(c.FieldValue=1);
23.   c.Free;
24. end;

复制代码

在这里，我们利用了依靠剖析——请参阅[依靠注入和接口剖析](http://synopse.info/files/html/Synopse mORMot Framework SAD 1.18.html#TITL_161)——让 TMyClass.CreateInjected构造函数扫描其 published属性，从而搜刮 IAutoLocker的提供者。由于 IAutoLocker已全局注册为通过 TAutoLocker剖析，因此我们的类将利用新实例初始化其 fLock字段。现在，我们可以像往常一样利用 Lock.ProtectMethod来访问关联的 TSynLocker临界区。
当然，这可能会比手动处理 TSynLocker更复杂，但是如果您正在编写一个基于接口的服务，您的类可以从 TInjectableObject继承以举行自身的依靠剖析，因此这个本领可能非常方便。
TSynLocker中的安全锁定存储

当我们解决了潜在的CPU缓存行问题时，您还记得我们在 TSynLocker定义中添加了一个填充二进制缓冲区吗？由于我们不想浪费资源，TSynLocker提供了对其内部数据的轻松访问，并允许直接处理这些值。由于它存储为7个 variant值插槽，因此您可以存储任何类型的数据，包括复杂的 TDocVariant文档或数组。
我们的类可以利用此功能，并将其整数字段值存储在内部插槽0中：

1. type
2.   TMyClass = class(TSynPersistentLocked)
3.   public
4.     procedure UseInternalIncrement;
5.     function FieldValue: integer;
6.   end;
7. { TMyClass }
8. function TMyClass.FieldValue: integer;
9. begin // 值的读取也将受到互斥锁的保护
10.   result := fSafe.LockedInt64[0];
11. end;
12. procedure TMyClass.UseInternalIncrement;
13. begin // 这个专用的方法将确保原子增加
14.   fSafe.LockedInt64Increment(0,1);
15. end;

复制代码

请注意，我们利用了 TSynLocker.LockedInt64Increment()方法，因为以下方式是不安全的：

1. procedure TMyClass.UseInternalIncrement;
2. begin
3.   fSafe.LockedInt64[0] := fSafe.LockedInt64[0]+1;
4. end;

复制代码

在上面的代码中，获取了两个锁（每个 LockedInt64属性调用一个），因此另一个线程可能会在两者之间修改值，并且增量可能不如预期准确。
TSynLocker提供了一些专用的属性和方法来处理这种安全的存储。这些期望一个 Index值，范围从 0..6：

1.     property Locked[Index: integer]: Variant read GetVariant write SetVariant;
2.     property LockedInt64[Index: integer]: Int64 read GetInt64 write SetInt64;
3.     property LockedPointer[Index: integer]: Pointer read GetPointer write SetPointer;
4.     property LockedUTF8[Index: integer]: RawUTF8 read GetUTF8 write SetUTF8;
5.     function LockedInt64Increment(Index: integer; const Increment: Int64): Int64;
6.     function LockedExchange(Index: integer; const Value: variant): variant;
7.     function LockedPointerExchange(Index: integer; Value: pointer): pointer;

复制代码

如果有须要，您可以存储一个 pointer或对 TObject实例的引用。
在我们的框架中，提供如许一套线程安全的方法是有意义的，该框架提供了多线程服务器能力——请参阅线程安全性。
请随时在mORMot文档上继续阅读，其中可能包含有关此主题的更新和附加信息。

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