淺談 .NET 多執行緒與平行運算（十三）：CLR via C# 閱讀筆記——執行緒同步核心觀念與效能測試

本文整理自《CLR via C# 第三版》關於執行緒同步的核心觀念、兩種同步結構（使用者模式/核心模式）效能對比，並附上作者實測程式碼與結果分析。

執行緒同步三大代價

1. 識別困難：需找出所有可能被多執行緒存取的資源，無法驗證同步是否正確/完整/過度。
2. 效能損耗：短暫操作加上鎖申請/釋放，效能可能下降一個數量級。
3. 增加執行緒建立與上下文切換：阻塞導致排程器建立更多執行緒維持吞吐量。

何時「不需要」同步？

• 唯讀資源：多執行緒同時讀取不可變物件（如 string、readonly 欄位）無需同步。
• 值型別或不可變型別：操作會建立新實例，非共享狀態。
• 非共享範圍：ThreadLocal、方法區域變數、非 static 欄位（每個實例獨立）。

FCL 執行緒安全承諾

• 所有 靜態方法 保證執行緒安全。
• 實例方法 不保證（效能考量），需自行同步。
• 自訂類庫建議遵循相同標準：靜態安全、實例不保證。

兩種同步結構對比

效能測試程式碼與結果

class Program
{
    static void Main()
    {
        const int Iterations = 5_000_000;
        int x = 0;
        var sw = Stopwatch.StartNew();

        // 使用者模式：SimpleSpinLock (Interlocked.Exchange)
        var ssl = new SimpleSpinLock();
        for (int i = 0; i < Iterations; i++) { ssl.Enter(); x++; ssl.Leave(); }
        Console.WriteLine($"SimpleSpinLock: {sw.ElapsedMilliseconds:N0} ms");

        // 核心模式：SimpleWaitLock (AutoResetEvent)
        using (var swl = new SimpleWaitLock())
        {
            sw.Restart();
            for (int i = 0; i < Iterations; i++) { swl.Enter(); x++; swl.Leave(); }
            Console.WriteLine($"SimpleWaitLock: {sw.ElapsedMilliseconds:N0} ms");
        }
    }
}

struct SimpleSpinLock
{
    private int _resourceInUse;
    public void Enter() { while (Interlocked.Exchange(ref _resourceInUse, 1) != 0) { } }
    public void Leave() { Thread.VolatileWrite(ref _resourceInUse, 0); }
}

class SimpleWaitLock : IDisposable
{
    private readonly AutoResetEvent _free = new AutoResetEvent(true);
    public void Enter() => _free.WaitOne();
    public void Leave() => _free.Set();
    public void Dispose() => _free.Close();
}

測試結果解讀

• 無競爭時：SpinLock 極快（僅數十 ns），WaitLock 需微秒級核心轉換。
• 高競爭時：SpinLock 空轉燒 CPU，WaitLock 釋放 CPU 更有利系統整體吞吐。
• 實務建議：短關鍵區、低競爭用 SpinLock/Interlocked；長關鍵區、高競爭、需逾時/跨進程用核心物件。

Monitor 與 lock 關鍵字

C# lock(obj) 編譯為 Monitor.Enter/Exit，屬核心模式混合實作：先嘗試使用者模式自旋，失敗再進核心等待，兼顧效能與彈性，是最常用的同步原語。

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