C# SpinWait 高性能同步

前言

以前做多线程同步的时候，非常喜欢用无锁队列 ConcurrentQueue<T> ，随着对多线程原理了解的深入，决定放弃这种一知半解的形式，打算把以前写的一个程序重构一下。 在重构到多线程的时候，有这样一个场景：

有一个 int 变量 i，初始值为 1， 
有一个线程1 ，以极限频率访问 i，如果 i 等于 0，则线程结束，
有一个按钮 button1，按下 button1 就把 i 的值修改为 0 .

代码如下：

int i = 1;

private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
{
    Task.Factory.StartNew(() => {
    while (i != 0);
    MessageBox.Show("out");
    });
}

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    i = 0;
}

代码运行结果：按下 button1，线程跳出循环，界面打印出 “out”。由此可见，对变量的访问是原子的，不会干扰到其他线程对变量的赋值。
注意：由于线程处于无限死循环，没有做任何措施，导致 CPU 急速空转，占用率达到了25%（我的电脑是6核心的）。如果这样的线程多来几个，CPU 资源就会消耗殆尽！

下面，在线程1 中对 i 增加 “写” 操作，代码如下：

int i = 1;

private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
{
    Task.Factory.StartNew(() => {
    while (i != 0)
    {
       i++;
    }
    MessageBox.Show("out");
    });
}

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    i = 0;
}

代码运行结果：无论以多块的 “手速” 点击 button1，线程都无法跳出，打印不出 “out”，这就意味着，多线程同时 “写”，就会产生 “脏数据”。那这种情况应该怎么办呢：

1，使用 lock.

2，加延时 Thread.Sleep()；

3，spinWait.SpinOnce();

在这种极限速度下，很显然 lock 的效率显得有些低下，所以下面直接实验方案 2 和方案 3。

int i = 1;

private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
{
    Task.Factory.StartNew(() => {
    while (i != 0)
    {
        i++;

        //方案2.0
        Thread.Sleep(0); //可以跳出循环， CPU 占用率高(23%)。
        //方案2.1
        Thread.Sleep(1); //可以跳出循环，CPU 占用率极低,接近 0%。
        //方案3
        spinWait.SpinOnce(); //可以跳出循环，CPU 占用率极低，接近 0%。
    }
    MessageBox.Show("out");
    });
}

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    i = 0;
}

很显然，方案 2 和方案 3 都可以实现多线程数据同步。

Thread.Sleep(0) 比 Thread.Sleep(1) 消耗更多的 CPU，可以参考这篇文章：https://www.cnblogs.com/stg609/p/3857242.html

这里主要是记录一下方案 3，“自旋” 操作，比方案 2 靠谱，方案 2 只是让出了 CPU 时间片段，刚好被我们按下 button1 的时候完成了对 i 的修改。方案 3 的速度更快，没有上下文切换，只是让 CPU 空转了一下。SpinWait.SpinOnce() 是一个智能的方法，当 SpinOnce() 超过 10 次后，就切换到内核模式，跟 Sleep() 一样节省 CPU 资源，所以我们看到方案 3 几乎不消耗 CPU。如果在循环内，使用 SpinWait.Reset() 重置自旋计数，则会看到 CPU 占用几乎和 Thread.Sleep(0) 相同。

而 SpinWait.SpinUntil() ，用法如：

SpinWait.SpinUntil(()=> 
{
     Console.WriteLine(w.NextSpinWillYield);
     return false;
},2000);

在超时时间前，一直自旋，当自旋次数超过 10 次时，会切换到内核模式。
注意：虽然 SpinWait 旨在在并发应用程序中使用，但它并不是从多个线程同时使用而设计的。 SpinWait 成员不是线程安全的。 如果多个线程必须旋转，每个线程都应该使用其自己的 SpinWait 实例。

最后

记一个有意思的事情，如果把 i++; 的位置移动一下，效果又大不相同，代码如下：

int i = 1;

private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
{
    Task.Factory.StartNew(() => {
    while (i != 0)
    {
        //方案2.0
        Thread.Sleep(0); //无法跳出循环， CPU 占用率高(23%)。
        //方案2.1
        Thread.Sleep(1); //无法跳出循环，CPU 占用率极低,接近 0%。 
        //方案2.2
        Thread.Sleep(4000); //无法跳出循环，CPU 占用率极低,接近 0%。 
        //方案3
        spinWait.SpinOnce(); //无法跳出循环，CPU 占用率极低，接近 0%。
        
        i++;
    }
    MessageBox.Show("out");
    });
}

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    i = 0;
}

此时，无论哪种方案，即使延时10秒钟，点击 button1，仍旧无法把 i 的值修改为 0。其实原因很简单，因为绝大多的时间片段该循环都处于 Sleep 或者自旋状态，此时修改 i 为0，但是线程接下来增加了 i 的值，为 1 了?。