使计算线程安全的标准方法是什么？答案

【问题标题】：What's the standard approach to making calculations thread-safe?使计算线程安全的标准方法是什么？
【发布时间】：2009-10-09 14:31:26
【问题描述】：

最初看似简单的解决方案的问题已被证明是一个非常有趣的挑战。

我有一个类维护一个内部固定大小、线程安全的集合（通过在所有插入和删除操作上使用lock）并通过其属性提供各种统计值。

一个例子：

public double StandardDeviation {
    get {
        return Math.Sqrt((Sum2 - ((Sum * Sum) / Count)) / Count);
    }
}

现在，我已经彻底测试了这个计算，在集合中运行了 10,000 个值，并检查了每次更新的标准偏差。它工作正常......在单线程场景中。

然而，在我们的开发和生产环境的多线程上下文中出现了一个问题。似乎这个数字以某种方式有时会在快速变回实数之前返回NaN。当然，这一定是由于传递给Math.Sqrt 的负值所致。我只能想象在计算过程中，计算中使用的值之一被单独的线程更新时会发生这种情况。

我可以先缓存这些值：

int C = this.Count;
double S = this.Sum;
double S2 = this.Sum2;

return Math.Sqrt((S2 - (S * S) / C) / C);

但随后Sum2 可能仍会更新，例如，在设置S = this.Sum 之后，再次影响计算。

我可以在代码中更新这些值的所有点周围放置一个lock：

protected void ItemAdded(double item) {
    // ...

    lock (this.CalculationLock) {
        this.Sum += item;
        this.Sum2 += (item * item);
    }
}

如果我在计算StandardDeviation 时在同一对象上lock，我认为最终会解决问题。它没有。该值仍以 NaN 的形式出现，只是转瞬即逝，很少发生。

坦率地说，即使上述解决方案奏效了，它也很混乱，对我来说似乎不太容易管理。 是否有标准和/或更直接的方法可以在计算值中实现线程安全？

编辑：原来这里有一个问题示例，起初似乎只有一种可能的解释，但毕竟问题完全出在其他问题上。

我一直一丝不苟地以各种可能的方式实现线程安全，并且尽可能不牺牲巨大的性能——锁定对共享值（例如，Sum 和 Count）的读取和写入，缓存值在本地，并使用相同的锁对象来修改集合和更新共享值......老实说，这一切似乎都是多余的。

没有任何效果；那个邪恶的NaN 不断出现。所以我决定在StandardDeviation 返回NaN 时将集合中的所有值打印到控制台...

我立刻注意到，当集合中的所有值都相同时，它似乎总是发生。

这是官方的：我被浮点运算烧坏了。（所有的值都是相同的，所以StandardDeviation 中的radicand - 即被取平方根的数字 - 被评估为一个非常小的负数。）

【问题讨论】：

标签： c# .net multithreading thread-safety

【解决方案1】：

我可以锁定代码中更新这些值的所有点：

protected void ItemAdded(double item) {
    // ...

    lock (this.CalculationLock) {
        this.Sum += item;
        this.Sum2 += (item * item);
    }
}

然后，如果我在计算 StandardDeviation 时锁定同一个对象，我认为这最终会解决问题。它没有。该值仍然以 NaN 的形式出现，只是转瞬即逝。

这正是你应该做的正确性。如果这对您不起作用，我建议您要么错过更新场景 - 要么您有其他问题（例如 Sum 或 Sum2 偶尔为 NaN 或由于某些other而出现意外值竞争条件）。

【讨论】：

你是对的，马克。现有的线程安全措施实际上工作正常；是浮点算术让我很头疼。谢谢你的加固。
旧线程，但对于新来者，请考虑使用 ReaderWriterLockSlim，以便多个线程当前可以读取属性值而不会相互阻塞。

【解决方案2】：

Sum 和 Count 是跨多个线程共享的状态。因此，所有访问都必须同步，除非您 (a) 有一些原子变量原语并且 (b) 非常非常小心。

最简单和最“标准”的方法是使用与同步插入和删除相同的锁。添加或删除时，更新 Sum 和 Count。然后使用相同的锁来同步访问 StandardDeviation 函数中的 Sum 和 Count。

【讨论】：

【解决方案3】：

您可以缓存整个列表，然后使用缓存的版本进行操作。像这样的：

var copy = currentList.ToArray();
var sum = Sum(copy)
var sum2 = Sum2(copy)
return sum * sum2... whatever

这样，您只需要在执行复制（示例中为.ToArray）时持有锁，并且您有一组一致的数据可供操作。当然，根据数据的大小，内存需求或性能损失可能会很大。

【讨论】：

我很欣赏这个建议，但我没有提到的是这个集合旨在尽可能快。制作列表的副本然后从该副本计算这些值将比执行直接计算（例如我的问题中的计算）慢几个数量级。

【解决方案4】：

如果，正如您在 cmets 中提到的，性能是这里的高优先级，您应该考虑将所有对对象底层数据的访问与ReaderWriterLockSlim（或旧的ReaderWriterLock，如果您使用的是 2.0框架）而不是Monitor（通过lock 语句），这样计算就不会相互阻塞。

您还应该考虑测试一个缓存数据的实现，正如一些人建议的那样：它实际上可能比同步访问变量的版本更快。

【讨论】：

【解决方案5】：

您可以在 StandardDeviation 方法中添加一个锁，以确保值不会更改。

public double StandardDeviation
{
  get
  {
    lock (_lockObject)
    {
       return Math.Sqrt((Sum2 - ((Sum * Sum) / Count)) / Count);
    }
  }
}

【讨论】：