Спін-блокування та сигнальні засоби

ReaderWriterLockSlim, SpinLock і SpinWait

Замок читачів і письменників

Багато даних часто читають і рідко змінюють: довідники, кеші, налаштування. Звичайний lock пропускає по одному потоку навіть тоді, коли всі лише читають. Клас ReaderWriterLockSlim має три режими:

• читання (EnterReadLock/ExitReadLock) – одночасно будь-яка кількість читачів;
• запис (EnterWriteLock/ExitWriteLock) – монопольний доступ одного письменника;
• читання з можливістю оновлення (EnterUpgradeableReadLock) – лише один потік, який читає разом з іншими читачами й за потреби переходить у режим запису.

private readonly ReaderWriterLockSlim rw = new();
private readonly Dictionary<string, decimal> rates = [];

public decimal? GetRate(string code)
{
    rw.EnterReadLock();
    try { return rates.TryGetValue(code, out var r) ? r : null; }
    finally { rw.ExitReadLock(); }
}

public void SetRate(string code, decimal rate)
{
    rw.EnterWriteLock();
    try { rates[code] = rate; }
    finally { rw.ExitWriteLock(); }
}

Типово рекурсивний вхід заборонено (LockRecursionPolicy.NoRecursion), а потік у режимі читання не може перейти в режим запису: два таких потоки заблокували б один одного, тому для цього існує режим оновлення. Коли письменник чекає, нові читачі теж чекають – так письменники не голодують. ReaderWriterLockSlim реалізує IDisposable. Він виграє лише тоді, коли читань значно більше, ніж записів, і читання тривають достатньо довго; для дуже коротких секцій його накладні витрати більші, ніж у lock.

SpinLock і SpinWait

Блокування потоку ядром ОС коштує мікросекунди: перемикання контексту, пробудження. Якщо замок звільниться за кілька наносекунд, дешевше покрутитися (spin) – виконати порожній цикл, перевіряючи замок. Структура SpinLock реалізує такий замок:

private SpinLock spin = new(enableThreadOwnerTracking: false);

public void Add(int value)
{
    bool taken = false;
    try
    {
        spin.Enter(ref taken);
        sum += value;                    // дуже коротка секція
    }
    finally
    {
        if (taken) spin.Exit();
    }
}

SpinLock – структура, тому її не можна копіювати й не можна оголошувати як readonly-поле: виклик методу для копії блокує копію, а не спільний замок. Замок нереентрантний; усередині секції не можна чекати чи виконувати введення-виведення. Документація рекомендує переходити на SpinLock лише тоді, коли профілювання показало, що lock чи Interlocked є вузьким місцем.

Структура SpinWait допомагає написати власне очікування: SpinOnce() спочатку крутиться, а після кількох ітерацій поступається процесором іншим потокам; SpinWait.SpinUntil(() => ready) чекає виконання умови. Сучасні lock, SemaphoreSlim і ManualResetEventSlim уже поєднують коротке обертання з подальшим блокуванням.

Сигнальні засоби

Сигнальні засоби не захищають дані, а координують потоки: один потік повідомляє іншим, що щось сталося (табл. 3.2).

• ManualResetEventSlim – «ворота»: Set() відчиняє їх, і всі потоки, що чекають у Wait(), проходять; ворота залишаються відчиненими до Reset(). Приклад – сигнал «старт» для всіх робочих потоків або «зупинка» для всіх.
• AutoResetEvent – «турнікет»: кожен Set() пропускає один потік і автоматично закривається. Якщо ніхто не чекає, сигнал запам’ятовується, але не накопичується (два Set() поспіль = один).
• CountdownEvent – лічильник: Signal() зменшує його, Wait() чекає нуля. Зручно чекати завершення N робіт, запущених у пулі потоків.
• Barrier – точка зустрічі N учасників: SignalAndWait() блокує, доки всі учасники не дійдуть до бар’єра, після чого всі продовжують одночасно, а бар’єр готовий до наступного кола.

using CountdownEvent pending = new(initialCount: 5);
for (int i = 1; i <= 5; i++)
{
    int id = i;
    ThreadPool.QueueUserWorkItem(_ =>
    {
        Console.WriteLine($"Звіт {id} готовий");
        pending.Signal();               // одна робота завершена
    });
}
pending.Wait();                         // чекати всі п’ять
Console.WriteLine("Усі звіти готові");

Таблиця 3.2. Засоби синхронізації .NET

Засіб	Між процесами	Призначення
lock / Lock / Monitor	ні	взаємне виключення; Monitor – ще й умовні змінні
Interlocked	ні	атомарні операції над однією змінною
Mutex	так (іменований)	взаємне виключення, зокрема між процесами
SemaphoreSlim	ні	обмеження кількості потоків, асинхронне очікування
Semaphore	так (Windows)	обмеження кількості потоків і процесів
ReaderWriterLockSlim	ні	багато читачів або один письменник
SpinLock, SpinWait	ні	дуже короткі секції без переходу в ядро
ManualResetEventSlim	ні	сигнал для всіх очікувальних потоків
AutoResetEvent	так (EventWaitHandle, Windows)	сигнал для одного потоку
CountdownEvent	ні	очікування завершення N робіт
Barrier	ні	одночасний перехід N потоків до наступного етапу

Класи із суфіксом Slim працюють у межах процесу й швидші за «системні» аналоги, бо спочатку обходяться без ядра ОС. Огляд усіх засобів: https://learn.microsoft.com/dotnet/standard/threading/overview-of-synchronization-primitives.