在多线程编程中,锁是确保线程安全的关键工具,用于防止多个线程同时访问共享资源导致的竞态条件.在 C# 中,lock语句是同步编程中的常见选择,但当我们转向异步编程(async/await)时,传统的同步锁可能会引发问题,例如线程阻塞或死锁.特别是在高并发场景,如 ASP.NET Core 应用或实时数据处理系统,异步锁成为不可或缺的工具.

本文将从基础概念开始,逐步引导您实现一个高效的异步锁 AsyncLock,并深入分析其设计理念、实现细节和应用场景.作为一名精通 .NET 平台的 C# 工程师,我将结合丰富的编程经验,带您从浅到深理解异步锁的实现过程,并展示如何在实际项目中应用它.

第一步:理解锁的基础知识

锁(Lock)是一种同步机制,用于控制对共享资源的访问,确保在任意时刻只有一个线程或任务可以操作该资源.在 C# 中,lock语句基于Monitor类实现,提供了一种简单的方式来实现互斥访问.以下是一个同步代码的示例:

private readonly Lock _syncLock = new;
private int _counter = 0;

public void Increment
{
lock (_syncLock)
{
_counter++;
}
}

在这个例子中,lock确保_counter的更新是线程安全的,防止多个线程同时修改导致数据不一致.然而,这种同步锁在异步编程中存在局限性.

第二步:同步锁在异步代码中的问题

在异步编程中,async/await模式允许任务在等待 I/O 操作(如网络请求或文件读写)时释放线程,从而提高系统效率.然而,如果在异步方法中使用lock,可能会导致问题.考虑以下错误示例:

private readonly Lock _syncLock = new;
private int _counter = 0;

public async Task IncrementAsync
{
lock (_syncLock)
{
await Task.Delay(100); // 模拟异步操作
_counter++;
}
}

在这个例子中,lock会阻塞当前线程,而await试图在同一线程上继续执行,可能导致死锁或性能下降.例如,在 ASP.NET Core 中,线程阻塞可能耗尽线程池资源,降低服务器的响应能力.为了解决这个问题,我们需要一种专门为异步代码设计的锁——异步锁.

第三步:认识 SemaphoreSlim

SemaphoreSlim是 .NET 提供的一个轻量级同步原语,专为单进程内的同步设计.它支持异步等待方法WaitAsync,非常适合异步编程环境 SemaphoreSlim Class[1].通过将SemaphoreSlim的初始计数和最大计数设置为 1,我们可以将其用作互斥锁(mutex),确保一次只有一个任务可以进入临界区.

SemaphoreSlim的关键方法包括:

• WaitAsync:异步等待信号量,获取锁.
• Release:释放信号量,允许其他任务获取锁.
• CurrentCount:获取当前可用的信号量计数.

通过利用 SemaphoreSlim,我们可以构建一个高效的异步锁.

第四步:设计异步锁

在实现 AsyncLock之前,我们需要明确其设计目标:

• 「非阻塞」:使用WaitAsync实现异步等待,不阻塞线程.
• 「互斥」:一次只允许一个任务持有锁.
• 「易用性」:提供类似lock的 API,配合using语句自动释放锁.
• 「不可重入」:为简化实现和避免死锁,不支持同一任务多次获取锁.
• 「性能优化」:通过缓存任务减少资源分配.
• 「资源管理」:支持IDisposable接口,确保正确释放资源.

第五步:逐步实现 AsyncLock

让我们一步步构建 AsyncLock类,逐步添加功能并解释每个部分的实现原理.

步骤 1:定义类和字段

首先,创建一个 AsyncLock类,继承IDisposable接口,并添加一个SemaphoreSlim字段,初始计数和最大计数均为 1,以实现互斥锁.

public sealed class AsyncLock : IDisposable
{
private readonly SemaphoreSlim _semaphore = new(1, 1);
}

SemaphoreSlim(1, 1)确保一次只有一个任务可以获取锁,类似于一个二进制信号量.

步骤 2:实现基本的 LockAsync 方法

LockAsync方法是获取锁的核心方法,它应该异步等待锁并返回一个可释放的对象.我们使用SemaphoreSlim.WaitAsync来实现异步等待,并返回一个IDisposable对象,用于在操作完成后释放锁.

public async Task LockAsync
{
await _semaphore.WaitAsync;
return new Release(this);
}

这里,Release是一个内部类,用于释放锁.我们稍后会定义它.

步骤 3:实现 Release 结构

为了提高性能,我们将 Release实现为一个只读结构(struct),而不是类,因为它仅持有对AsyncLock的引用,且生命周期短暂.Release实现IDisposable接口,在Dispose方法中释放信号量.

private readonlystruct Release : IDisposable
{
privatereadonly AsyncLock _asyncLock;

internal Release(AsyncLock asyncLock)
{
_asyncLock = asyncLock;
}

public void Dispose
{
_asyncLock._semaphore.Release;
}
}

通过将 Release设计为结构,我们减少了内存分配的开销.using语句可以确保在离开作用域时自动调用Dispose,释放锁.

步骤 4:优化 LockAsync 方法

在某些情况下,锁可能立即可用(即 WaitAsync同步完成).为了避免每次都创建新的Task,我们可以缓存一个已完成的Task,用于同步获取锁的场景.

private readonly Task

public AsyncLock
{
_cachedReleaseTask = Task.FromResult(new Release(this));
}

public Task LockAsync
{
var waitTask = _semaphore.WaitAsync;
return waitTask.IsCompletedSuccessfully
? _cachedReleaseTask
: LockAsyncInternal(waitTask);
}

private async Task LockAsyncInternal(Task waitTask)
{
await waitTask.ConfigureAwait(false);
returnnew Release(this);
}

Task.FromResult创建一个已完成的Task,减少了同步场景下的任务分配开销.ConfigureAwait(false)确保在异步等待后不强制恢复到原始上下文,进一步优化性能.

步骤 5:添加取消支持

为了支持取消操作,我们在 LockAsync方法中添加CancellationToken参数,允许任务在等待锁时被取消.

public Task LockAsync(CancellationToken cancellationToken = default)
{
var waitTask = _semaphore.WaitAsync(cancellationToken);
return waitTask.IsCompletedSuccessfully
? _cachedReleaseTask
: LockAsyncInternal(waitTask);
}

如果 cancellationToken被取消,WaitAsync会抛出OperationCanceledException,符合异步编程的预期行为.

步骤 6:实现 Dispose 方法

AsyncLock需要实现IDisposable接口,以确保正确释放SemaphoreSlim资源.我们添加一个_disposed标志,防止重复处置.

private bool _disposed;

public void Dispose
{
if (!_disposed)
{
_semaphore.Dispose;
_disposed = true;
}
}

为了防止在已处置的对象上执行操作,我们在 LockAsync和其他方法中检查_disposed状态.

public Task LockAsync(CancellationToken cancellationToken = default)
{
ObjectDisposedException.ThrowIf(_disposed, this);
var waitTask = _semaphore.WaitAsync(cancellationToken);
return waitTask.IsCompletedSuccessfully
? _cachedReleaseTask
: LockAsyncInternal(waitTask);
}

步骤 7:添加状态属性

为了方便调试和监控,我们添加两个属性:IsHeld和WaitingCount.

• 「IsHeld」:检查锁是否被持有,通过SemaphoreSlim.CurrentCount is 0判断.
• 「WaitingCount」:提供等待任务数量的近似值.由于SemaphoreSlim不直接暴露等待队列大小,我们简化为返回 1(锁被持有)或 0(锁空闲).

public bool IsHeld
{
get
{
ObjectDisposedException.ThrowIf(_disposed, this);
return _semaphore.CurrentCount is0;
}
}

publicint WaitingCount
{
get
{
if (_disposed)
{
return0;
}
return _semaphore.CurrentCount is0 ? 1 : 0;
}
}

步骤 8:实现辅助方法

为了提高易用性,我们添加两个辅助方法,允许在获取锁后直接执行异步操作,并自动释放锁.

public async Task LockAsync(Func
{
ObjectDisposedException.ThrowIf(_disposed, this);
ArgumentNullException.ThrowIfNull(action);
await _semaphore.WaitAsync(cancellationToken).ConfigureAwait(false);
try
{
await action.ConfigureAwait(false);
}
finally
{
_semaphore.Release;
}
}

publicasync Task
{
ObjectDisposedException.ThrowIf(_disposed, this);
ArgumentNullException.ThrowIfNull(func);
await _semaphore.WaitAsync(cancellationToken).ConfigureAwait(false);
try
{
returnawait func.ConfigureAwait(false);
}
finally
{
_semaphore.Release;
}
}

这些方法简化了常见的使用模式,避免了手动管理 Release对象的需要.

步骤 9:完善 Release 结构

为了确保在 AsyncLock已处置的情况下不会尝试释放锁,我们在Release结构的Dispose方法中添加检查.

public readonlystruct Release : IDisposable
{
privatereadonly AsyncLock? _asyncLockToRelease;

internal Release(AsyncLock? asyncLockToRelease)
{
_asyncLockToRelease = asyncLockToRelease;
}

public void Dispose
{
if (_asyncLockToRelease is not null && !_asyncLockToRelease._disposed)
{
_asyncLockToRelease._semaphore.Release;
}
}
}

第六步:优化与设计选择

在实现 AsyncLock的过程中,我们做出了一些关键的设计选择:

1. 「不可重入锁」:选择不可重入设计以简化实现并降低死锁风险.相比支持重入的锁(如某些库中的实现),不可重入锁避免了跟踪任务标识和重入计数的复杂性.开发者可以通过重构代码避免递归获取锁.
2. 「缓存任务」:通过_cachedReleaseTask优化同步获取锁的场景,减少任务分配的开销.
3. 「异步等待」:使用ConfigureAwait(false)提高性能,避免不必要的上下文切换.
4. 「取消支持」:通过CancellationToken支持操作取消,适合需要快速响应的场景.
5. 「资源管理」:通过IDisposable和_disposed标志确保资源正确释放.

第七步:应用场景与使用示例

AsyncLock在以下场景中尤为有用:

以下是一个更复杂的示例,展示如何在 ASP.NET Core 中使用 AsyncLock保护内存缓存:

public classCacheService
{
privatereadonly AsyncLock _lock = new;
privatereadonly Dictionarystring, string> _cache = new;

public async Task UpdateCacheAsync(string key, string value)
{
using (await _lock.LockAsync)
{
_cache[key] = value;
await Task.Delay(50); // 模拟异步操作
}
}

public async Taskstring> GetCacheAsync(string key)
{
using (await _lock.LockAsync)
{
return _cache.TryGetValue(key, outvarvalue) ? value : null;
}
}
}

这个示例展示了如何在高并发环境中保护内存缓存,确保数据一致性.

第八步:注意事项与最佳实践

在使用 AsyncLock时,需要注意以下几点:

• 「避免递归获取锁」:由于不可重入,同一任务多次调用LockAsync会导致死锁.应重构代码以避免这种情况.
• 「最小化锁持有时间」:尽量缩短临界区代码的执行时间,以减少锁争用.
• 「正确处置」:确保AsyncLock在适当的时机被处置,避免在任务持有或等待锁时过早释放.
• 「使用 using 语句」:始终使用using语句确保Release对象被正确处置.

最佳实践包括:

• 使用 CancellationToken支持操作取消.
• 监控 IsHeld和WaitingCount属性,优化高争用场景.

• 在临界区内避免执行耗时操作.

结论

通过以上步骤,我们成功实现了一个高效、易用的异步锁 AsyncLock.它利用SemaphoreSlim提供了非阻塞的互斥访问,适用于现代 .NET 应用程序中的异步编程场景.无论是保护 Web 应用中的共享资源,还是确保 I/O 操作的线程安全,AsyncLock都是一个强大的工具.希望这篇文章能帮助您深入理解异步锁的实现原理,并在实际项目中自信地应用它.

其他

• 「参考资料」:
• SemaphoreSlim Class [2]
• C# Asynchronous Programming [3]
• Monitor Class [4]

本文完整代码已经包含在 GitHub EasilyNET 仓库中,您可以在 AsyncLock.cs[5]找到它.同时本文也同步更新到 GitHub 仓库中,便于脱离公众号查看,毕竟公众号不支持 markdown 格式的文章,显示不太友好.

Reference

SemaphoreSlim Class: https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.threading.semaphoreslim

[2]

SemaphoreSlim Class: https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.threading.semaphoreslim

[3]

C# Asynchronous Programming: https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/csharp/programming-guide/concepts/async/

[4]

Monitor Class: https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.threading.monitor

[5]

AsyncLock.cs: https://github.com/joesdu/EasilyNET/blob/main/src/EasilyNET.Core/Threading/AsyncLock.cs