C# 中的那些锁,在内核态都是怎么保证同步的?

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摘要

其实这个问题是前段时间有位朋友咨询我的,由于问题说的比较泛,不便作答,但想想梳理一下还是能回答一些的,这篇就来聊一聊下面这几个锁。


一:背景

1. 讲故事

其实这个问题是前段时间有位朋友咨询我的,由于问题说的比较泛,不便作答,但想想梳理一下还是能回答一些的,这篇就来聊一聊下面这几个锁。

  1. Interlocked

  2. AutoResetEvent / ManualResetEvent

  3. Semaphore

用户态层面我就不想说了,网上一搜一大把,我们只聊一聊内核态。

二:锁玩法介绍

1. Interlocked

从各种教科书上就可以知道,这个锁非常轻量级,也是各种高手善用的一把锁,为了方便说明,先上一段代码。

     internal class Program     {         static void Main(string[] args)         {             int location = 1;              Interlocked.Increment(ref location);             Console.WriteLine(location);              Debugger.Break();              Interlocked.Increment(ref location);             Console.WriteLine(location);             Console.ReadLine();         }     }  

这里我们在第二处 Interlocked.Increment(ref location); 下一个断点,目的是因为此时的 Increment 函数是 JIT 编译后的方法,接下来我们在 WinDbg 中单步调试,会看到如下汇编指令。

 0:000> bp 00007ff8`f6d4298e 0:000> g Breakpoint 0 hit ConsoleApp2!ConsoleApp2.Program.Main+0x4e: 00007ff8`f6d4298e e84550ffff      call    00007ff8`f6d379d8 0:000> t 00007ff8`f6d379d8 e9439a7e5a      jmp     System_Private_CoreLib!System.Int32 System.Threading.Interlocked::Increment(System.Int32&)$##6002C3E (00007ff9`51521420) 0:000> t System_Private_CoreLib!System.Threading.Interlocked.Increment: 00007ff9`51521420 b801000000      mov     eax,1 0:000> t System_Private_CoreLib!System.Threading.Interlocked.Increment+0x5: 00007ff9`51521425 f00fc101        lock xadd dword ptr [rcx],eax ds:00000000`001ceb68=00000002  

看到上面的 lock xadd 了吗? 原来 Interlocked 类是借助了 CPU 提供的 锁机制 来解决线程同步的, 很显然这种级别的锁相比其他方式的锁性能伤害最小。

2. AutoResetEvent,ManualResetEvent

大家都知道这种锁的名字叫 事件锁, 其实在 Windows 上使用场景特别广,就连监视锁(Monitor) 底层也是用的这种事件锁, 不得不感叹其威力无穷! 而且代码注释中也说了,也就两种状态: 有信号无信号 , 言外之意就是在内核中用了一个 bool 变量来表示,为了能看到这个 bool 值,我们上一个案例。

     internal class Program     {         static ManualResetEvent mre = new ManualResetEvent(true);          static void Main(string[] args)         {             Console.WriteLine("handle=" + mre.Handle.ToString("x"));              for (int i = 0; i < 100; i++)             {                 mre.Reset();                 Console.WriteLine($"{i}:当前为阻塞模式,请观察");                 Console.ReadLine();                  mre.Set();                 Console.WriteLine($"{i}:当前为畅通模式,请观察");                 Console.ReadLine();             }              Console.ReadLine();         }     }  

C# 中的那些锁,在内核态都是怎么保证同步的?

为了找到 handle=23c 所对应的内核地址,可以借助 Process Explorer 工具,截图如下:

C# 中的那些锁,在内核态都是怎么保证同步的?

接下来启动 WinDbg 双机调试,看下内核态上 ffffe00155522220 内存位置的内容。

 0: kd> dp 0xFFFFE00155522220 L1 ffffe001`55522220  00000000`00060000  

在控制台上将 ManualResetEvent 设为有信号模式,再次观察这块内存。

 1: kd> dp 0xFFFFE00155522220 L1 ffffe001`55522220  00000001`00060000  

大家可以仔细试试看,会发现 ffffe00155522220+0x4 的位置一直都是 0,1 之间的切换,可以推测此时是一个 bool 类型。

有些朋友很好奇,能不能观察看到它的调用栈呢?肯定是可以的,我们使用 ba 下一个硬件断点,观察下它的用户态和内核态栈。

 1: kd> ba w4 0xFFFFE00155522220+0x4 1: kd> g Breakpoint 0 hit nt!KeResetEvent+0x32: fffff802`f8c3e752 f081237fffffff  lock and dword ptr [rbx],0FFFFFF7Fh 0: kd> k  # Child-SP          RetAddr               Call Site 00 ffffd000`ac0cea90 fffff802`f910ebd0     nt!KeResetEvent+0x32 01 ffffd000`ac0ceac0 fffff802`f8d59b63     nt!NtClearEvent+0x50 02 ffffd000`ac0ceb00 00007fff`d8963c0a     nt!KiSystemServiceCopyEnd+0x13 03 000000c9`10ece4d8 00007fff`d5e0057a     ntdll!NtClearEvent+0xa 04 000000c9`10ece4e0 00007fff`b88fba05     KERNELBASE!ResetEvent+0xa 05 000000c9`10ece510 00000000`00000000     System_Private_CoreLib!System.Boolean Interop+Kernel32::ResetEvent(Microsoft.Win32.SafeHandles.SafeWaitHandle)$##60000B0+0x65 ...  

从代码中可以看到,命中的是 KeResetEvent 函数,也就是我们用户态代码的 mre.Reset(); 函数,如果大家感兴趣,可以挖一下它的汇编代码,很清楚的看到这个方法中有一些 lock 语句,所以性能上会所有下降哈。

C# 中的那些锁,在内核态都是怎么保证同步的?

3. Semaphore

要说 Event 事件锁维护的是 bool 变量,那 Semaphore 就属于 int 变量了,为了方便说明继续上一个例子,观察方式和 Event 基本一致。

     internal class Program     {         static Semaphore semaphore = new Semaphore(10, 20);          static void Main(string[] args)         {             Console.WriteLine("handle=" + semaphore.Handle.ToString("x"));              for (int i = 0; i < 100; i++)             {                 semaphore.WaitOne();                 Console.WriteLine($"{i}:已减少 1,请观察");                 Console.ReadLine();             }              Console.ReadLine();         }     }  

C# 中的那些锁,在内核态都是怎么保证同步的?

接下来用 WinDbg 进入到本机内核态观察 handle=270 所对应的 内核地址 0xFFFFB58FEA1B1190

C# 中的那些锁,在内核态都是怎么保证同步的?

从图中可以非常清楚的看到这里的数字在不断的减小,其实想也能想到,少不了一些 CPU 级 lock 锁在里面。