利用鎖定(Lock)來保持資源在多執行緒間安全的共用與複寫

其實這一篇就是在說明如何利用C# Lock來進行多執行緒間的安全共用問題。舉個最簡單的例子來說,當一個ASP.NET裡面被創造了一個Application["Bulletin"]的物件,這物件裡面可能有資料,也有可能沒有資料,又,這個網站定義了一個政策是,「當公告資料過了10分鐘,或者公告資料為空值時,就有義務更新它」。

接下來問題就來了,這個ASP.NET網站可能平均每秒會有10個Session進入來讀取這個頁面,那麼當同一秒這10個Session同時起來,去讀取Application["Bulletin"]的物件時,也就是說極有可能會同時發生命中「當公告資料過了10分鐘,或者公告資料為空值時,就有義務更新它」條件。那問題就變得棘手了,本來Application["Bulletin"]的設計是為了要降低資料庫的存取,透過記憶體暫存的方式加速網頁的生成速度,結果所有的瓶頸反而落入在此刻之中,資料庫跟Application["Bulletin"]記憶體被重刷了10次。(實務上不可能全部的Session都命中條件,畢竟看似平行處理最終還是得進入Work Process堆疊工作,但至少發生2~3個命中是極有可能的事情)

lock栓鎖物件的執行緒間認知問題

在C#裡面叫做lock,在VB.NET裡面叫做SyncLock。之前第一次在MSDN上面接觸lock語法,因為MSDN舉的例子是在Console模式下,過於單純,因此當下心中第一個也是唯一一個問題就是,那麼要怎麼讓所有實例化這些類別的執行緒,都知道這個物件?畢竟在網站多工運作的環境下,情況事實上是很複雜的。

MSDN的Lock使用範例程式碼,出處詳見:lock Statement (C# Reference)

class Account  
{  
	decimal balance;
	private Object thisLock = new Object();	//就是這一行,讓當時年少無知的我陷入了沉思
	public void Withdraw(decimal amount)  
	{  
		lock (thisLock)  
		{  
			if (amount > balance)  
			{  
				throw new Exception("Insufficient funds");  
			}  
			balance -= amount;  
		}  
	}  
}

頓悟後答案很簡單,事情不是傻人想的那麼複雜,就是使用static修飾詞(Modifier)來共用靜態物件啊!

利用lock栓鎖某物件,來達成執行緒同步資源鎖定

以下這個例子是剛好工作時有遭遇到類似的案例,所以稍微寫一下SampleCode來POC,加強自己以前對於lock的認知性。這個情境改為有一個網站計數器,被放在System.Web.HttpContext.Current.Cache裡面。當ASP.NET每一個Session進入每一頁時,都會對這個計數器進行賦值(理論上是加1,程式碼裡面使用的是亂數)。在這邊要特別聲明一下,這只是我為了POC去亂掰出來的使用方式,如果閣下真的要建立網站計數器機制,千萬不要用這個方法,不僅是根本毫無效益可言,且有可能會造成你的網站掛掉喔!

建立一個叫做SiteCount.cs類別

public class SiteCount
{
	private static System.Object oLock = new System.Object();	//請注意這個栓鎖欄位(Field)被設定為private static
	private System.Random oRnd = new System.Random();
	public SiteCount() { }

	public int GetOrAddCount()
	{
		string cVarName = "MemberCount";
		//第一層檢查
		var oCount = System.Web.HttpContext.Current.Cache[cVarName];
		if (oCount == null)
		{	//鎖定
			lock (oLock)
			{ //第二層檢查
				oCount = System.Web.HttpContext.Current.Cache[cVarName];
				if (oCount == null)
				{
					System.Threading.Thread.Sleep(5000);	//模擬耗費大量時間
					System.Web.HttpContext.Current.Cache.Insert
					(
						key: cVarName,
						value: oRnd.Next(100, 1000),
						dependencies: null,
						absoluteExpiration: System.DateTime.Now.AddSeconds(10),
						slidingExpiration: System.Web.Caching.Cache.NoSlidingExpiration
					);
				}
			}
		}
		//回傳參數
		return (int)System.Web.HttpContext.Current.Cache[cVarName];
	}
}

建立一個叫做test.aspx的測試頁面

public void page_load(Object sender, EventArgs e)
{
	SiteCount oTemp = new SiteCount();
	Response.Write(oTemp.GetOrAddCount());
}

使用方式很簡單,你開兩個完全不同的A、B瀏覽器,並把test.aspx網址貼在兩個瀏覽器的網址列。接下來去A瀏覽器執行test.aspx,當然,A就被栓鎖住且卡在Sleep(5000);了,然後你在過去B瀏覽器執行test.aspx,這時候你會發現A、B兩個瀏覽器都卡住沒有回應,要注意的是,B瀏覽器沒有回應是因為lock (oLock)而不是Sleep(5000);喔。

最後當A瀏覽器解開Sleep(5000);往下跑建立Cache亂數暫存,並且印出(假設是)1234後,B瀏覽器瞬間也會出現自Cache取出的1234。

有兩個地方值得討論

一、private static System.Object oLock:

在整個ASP.NET網站起來且眾多執行緒尚未執行時,oLock欄位就會存在,也就是說test.aspx中的SiteCount oTemp = new SiteCount();執行與否,與oLock欄位無關,也就是因為static修飾詞,讓所有的執行緒在一開始就認識了這個oLock欄位。

二、Lock前檢查一次Cache是否為null,Lock後又檢查一次是有事嗎?

不,這是一種預防萬一的安全檢查機制,因為在實務上你檢查Cache為null~進行lock之間,還是有可能會被其他的執行緒來惡搞你這個共用的存取資源。這個寫法叫做Double-checked locking,更安全的甚至我還有看過Triple-checked locking(好像也叫做Sandwich Locking?),詳細出處我忘了。下面是一個典型的Double-checked locking機制程式碼:

private static object ThisLock = new object();
foo = GetCache();
if (foo == null) //1st check
{
  lock (ThisLock)
  {
    foo = GetCache();
    if (foo == null) //2nd (double) check
    {
      //Your work...
    }
  }
}
C# VB.NET lock SyncLock PrivateStatic Session Application System.Object Serialization Thread Multi-Threads