Interlocked.Increment 并返回增量值答案

【问题标题】：Interlocked.Increment and return of incremented valueInterlocked.Increment 并返回增量值
【发布时间】：2017-06-27 11:44:43
【问题描述】：

我们有一个方法可以维护应用程序中所有事件的全局序列索引。由于它是网站，因此预计会有这种方法线程安全。线程安全实现如下：

private static long lastUsedIndex = -1;

public static long GetNextIndex()
{
    Interlocked.Increment(ref lastUsedIndex);
    return lastUsedIndex;
}

但是我们注意到，在一些负载不重的情况下，系统中会出现重复的索引。简单的测试表明，对于 100000 次迭代，大约有 1500 个重复项。

internal class Program
{
    private static void Main(string[] args)
    {
        TestInterlockedIncrement.Run();
    }
}

internal class TestInterlockedIncrement
{
    private static long lastUsedIndex = -1;

    public static long GetNextIndex()
    {
        Interlocked.Increment(ref lastUsedIndex);
        return lastUsedIndex;
    }

    public static void Run()
    {
        var indexes = Enumerable
            .Range(0, 100000)
            .AsParallel()
            .WithDegreeOfParallelism(32)
            .WithExecutionMode(ParallelExecutionMode.ForceParallelism)
            .Select(_ => GetNextIndex())
            .ToList();

        Console.WriteLine($"Total values: {indexes.Count}");
        Console.WriteLine($"Duplicate values: {indexes.GroupBy(i => i).Count(g => g.Count() > 1)}");
    }
}

这可以通过以下实现来解决：

public static long GetNextIndex()
{
    return Interlocked.Increment(ref lastUsedIndex);
}

但是，我不清楚，为什么第一次实施没有奏效。谁能帮我描述一下在这种情况下发生了什么？

【问题讨论】：

因为 lastUsedIndex 在获取结果和返回给调用者之间可能已经被另一个调用 Interlocked.Increment 更新了。
标准线程竞争错误，另一个线程也可能在return lastUsedIndex; 之前增加变量@ 小几率，而不是零。代码是[read modify write] read。您从 Interlocked 获得的原子性保证仅适用于括号中的操作。您必须使用 lock [read modify write read] 以确保安全。
RB，Hans Passant，明白了。你们中的任何人都可以把它写成答案，这样它就会得到完全回答的问题吗？
您得到了很好的提示，因此您可以编写自己的答案。请务必使用它们。

标签： .net multithreading increment interlocked-increment

【解决方案1】：

根据 cmets，以下情况正在发生。

假设我们有 lastUsedIndex == 5 和 2 个并行线程。

第一个线程将执行Interlocked.Increment(ref lastUsedIndex);，lastUsedIndex 将变为6。然后第二个线程将执行Interlocked.Increment(ref lastUsedIndex);，lastUsedIndex 将变为7。

然后两个线程将返回lastUsedIndex 的值（记住它们是并行的）。这个值现在是7。

在第二个实现中，两个线程都将返回Interlocked.Increment() 函数的结果。每个线程（6 和 7）都会有所不同。换句话说，在第二个实现中，我们返回一个递增值的副本，并且该副本在其他线程中不受影响。

【讨论】：

请注意，即使在单 CPU 机器上（两个线程不会同时运行），理论上同样的事情也可能发生，尽管它显然更不可能（并且取决于CPU、编译器、运行时和操作系统到底做了什么，也许完全不可能，尽管不可靠）。第一个线程可能在Increment之后但在随后从someValue读取之前被抢占。

【解决方案2】：

如果它在您的原始示例中起作用，您也可以说它适用于一般情况

Interlocked.Increment(ref someValue);

// Any number of operations

return someValue;

要做到这一点，您必须消除Increment 和返回之间的所有并发性（包括并行性、重入性、抢先执行代码...）。更糟糕的是，您需要确保即使在返回和Increment 之间使用someValue，它也不会以任何方式影响返回。换句话说 - someValue 必须在两个语句之间不可能更改（不可变）。

您可以清楚地看到，如果是这种情况，您首先不需要Interlocked.Increment - 您只需使用someValue++。 Interlocked 和其他原子操作的全部目的是确保操作要么立即（原子地）发生，要么根本不发生。特别是，它可以保护您免受任何类型的指令重新排序（通过 CPU 优化或通过在两个逻辑 CPU 上并行运行的多个线程，或在单个 CPU 上被抢占）。但仅限于原子操作之内。对someValue 的后续读取不是同一原子操作的一部分（它本身是原子操作，但两个原子操作也不会使总和成为原子操作）。

但是您并没有尝试进行“任意数量的操作”，是吗？事实上，你是。因为有其他线程相对于您的线程异步运行 - 您的线程可能被其中一个线程抢占，或者线程可能真正在多个逻辑 CPU 上并行运行。

在真实环境中，您的示例提供了一个不断增加的字段（因此它比 someValue++ 好一点），但它没有为您提供唯一的 id，因为所有您'正在阅读是someValue 在某个不确定的时刻。如果两个线程尝试同时进行增量，则两者都会成功（Interlocked.Increment 是原子的），但它们也会从 someValue 读取相同的值。

这并不意味着您总是想使用Interlocked.Increment 的返回值——如果您对增量本身而不是增量值更感兴趣的话。一个典型的例子可能是一个廉价的分析方法——每个方法调用可能会增加一个共享字段，然后偶尔读取一次值，例如平均每秒调用次数。

【讨论】：