C# .NET：ImmutableList 引用副本周围是否需要“锁定”？

Question

我们团队中就锁定声明进行了辩论 - 我希望得到一些有关此问题的外部反馈。

有问题的代码部分是：

lock (IndexLock)
{
    currentIndex = Index;
}

您可以在下面看到部分课程：

public class BuilderService
{
    private ImmutableList<Model> Index { get; set; } = ImmutableList<Model>.Empty;
    private object IndexLock { get; } = new();

    public Add(Model item)
    {
        lock (IndexLock)
        {
           Index = Index.Add(item);
        }
    }

    public IEnumerable<Model> GetFilterLinesExcluding()
    {
        var filters = new List<Model>();
        ImmutableList<FilterModel> currentIndex;
    
        lock (IndexLock)
        {
            currentIndex = Index;
        }
    
        foreach (var filter in currentIndex)
        {
            ...
        }        
    }
}

无需详细讨论，争论围绕以下现象：

• 内存可视性
• 记忆障碍
• 陈旧的价值观

在

lock

周围有

currentIndex = Index

有意义吗？

主题：

• GetFilterLinesExcluding

  多线程访问的方法。

• Add

  方法可以随时调用。

如果需要，我会提供更多信息。

提前谢谢您！

Answer 1

在

lock

周围有

currentIndex = Index

有意义吗？

是的。 使用

lock

语句是强制线程安全的最简单方法，无需进行大量研究。

lock

确保一次只有一个线程可以与共享状态交互，如果您小心且遵守纪律，则使多线程相对容易。当执行流进入和退出受保护的部分时，

lock

语句还隐式添加适当的内存屏障，因此您不必考虑它们。

我们团队就

lock

声明进行了辩论。

我猜您团队中的某人建议删除

lock

线周围的

currentIndex = Index;

。他们的论点很可能是

ImmutableList<T>

是不可变的，因此在枚举

ImmutableList<T>

时另一个线程不可能改变它。这是一个理性的论点，但无锁多线程却一点也不理性。您可能不知道，C# 编译器以及 .NET Jitter 和 CPU 处理器都可以对程序指令进行重新排序，前提是重新排序不会影响单个线程上的执行。换句话说，编译器/抖动/处理器假定您的程序是单线程的，除非您通过隐式或显式添加内存屏障来告诉它。因此，如果省略

lock

周围的

currentIndex = Index;

，则该行之后的指令可能会在此行之前执行。在这种特殊情况下，我看不到该行之后可以移动并放置在该行之前的任何内容，从而导致问题。因此，从技术上讲，当使用任何符合标准的 C# 编译器进行编译并在任何符合标准的 CPU 架构上运行时，省略

lock

可能不会改变程序的行为，但我不会把钱押在它上面。在走这条路之前，您需要征求内存模型和 CPU 架构方面真正“专家”的人的意见，而我不是那么专家。 如果您询问了

lock

线周围的

Index = Index.Add(item);

，我当然可以看到移除

that

锁的问题。然后线程就可以将未初始化的 ImmutableList<T> 对象分配给

Index

字段，然后对其进行初始化。从单线程程序的角度来看，这没有任何区别，因此这种重新排序是允许的。当然，其他线程可能会尝试枚举部分初始化的

ImmutableList<T>

实例，从而允许发生各种混乱。顺便说一句，锁定的一种更高效且争议更少的替代方案是使用

volatile

 关键字：

private volatile ImmutableList<Model> _index;

// Not thread-safe. Only one thread is supposed to call it.
public Add(Model item)
{
   _index = _index.Add(item);
}

// Thread-safe. Multiple threads can call it.
public IEnumerable<Model> GetFilterLinesExcluding()
{
    List<Model> filters = new();

    foreach (var filter in _index)
    {
        ...
    }        
}

每当读取或更新 

volatile

时，

_index

都会添加适当的屏障，从而防止在部分初始化状态下查看

ImmutableList<Model>

的情况。如果您也想使

Add

线程安全，而不使用

lock

语句，则可以使用 ImmutableInterlocked.Update

 API。这将防止可能导致某些 

Model 物品丢失的竞争条件。