并发编程 - 线程同步（三）之原子操作Interlocked简介

news/2025/2/5 18:00:45/文章来源:https://www.cnblogs.com/hugogoos/p/18699934

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——原子操作。

01、原子操作

原子操作，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位；原子也是化学变化中最小的粒子及元素化学性质的最小单位。

借鉴到编程语言中原子操作指：不可分割的操作单元，是指一类不可中断的操作，它在执行时要么全部执行，要么全部不执行，不会被其他操作打断，而执行结果要么全部成功，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的——确保多个线程在访问共享资源时能够按顺序、安全地进行操作，从而避免并发执行带来的数据竞争和不一致的状态。

可以说原子操作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操作的工具。

02、Interlocked实现原理

Interlocked的原子操作是基于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阻塞，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。

线程阻塞是指操作系统把当前线程从运行状态变更为阻塞状态，并且操作系统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操作。

因此Interlocked的非阻塞特性，严格意义上来说并不是锁，但是效率却比锁高得多。

另外如果一个方法在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，一个操作数的大小为32位，因此可以提供32位即4个字节大小及以内的数据类型（如int，float）进行读写的原子操作。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类型（如long，double）进行读写的原子操作。

其实在上一章也举个一个例子，在32位CPU环境下操作long类型，多线程情况下会出现线程不完全问题，因为对于32位CPU，操作一次long类型数据至少需要两个原子指令，因此就会出现线程安全问题。