多線程入門系列（七）：Interlocked 原子操作與無鎖程式設計

Interlocked 核心價值

System.Threading.Interlocked 提供原子操作方法，在硬體層面保證操作不可分割，無需鎖即可實現線程安全的基本數值運算，效能遠優於鎖。

關鍵方法總覽

基本計數器範例

using System;
using System.Threading;

class CounterDemo
{
    static int count = 0;
    
    static void Main()
    {
        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            threads[i] = new Thread(IncrementCount);
            threads[i].Start();
        }
        
        foreach (var t in threads) t.Join();
        Console.WriteLine("最終計數: {0} (預期 100000)", count);
    }
    
    static void IncrementCount()
    {
        for (int i = 0; i < 10000; i++)
        {
            Interlocked.Increment(ref count);
            // 等同於：Interlocked.Add(ref count, 1);
        }
    }
}

CAS 模式實作無鎖堆疊

using System;
using System.Threading;

public class LockFreeStack<T>
{
    private sealed class Node
    {
        public T Value;
        public Node Next;
        public Node(T value) { Value = value; }
    }
    
    private Node head = null;
    
    public void Push(T item)
    {
        Node newNode = new Node(item);
        Node oldHead;
        do
        {
            oldHead = head;
            newNode.Next = oldHead;
        } while (Interlocked.CompareExchange(ref head, newNode, oldHead) != oldHead);
    }
    
    public bool TryPop(out T item)
    {
        Node oldHead;
        do
        {
            oldHead = head;
            if (oldHead == null)
            {
                item = default(T);
                return false;
            }
        } while (Interlocked.CompareExchange(ref head, oldHead.Next, oldHead) != oldHead);
        
        item = oldHead.Value;
        return true;
    }
}

Interlocked vs lock 效能對比

// 簡單計數：Interlocked 勝出（無核心轉換、無上下文切換）
// 複雜邏輯/多變數：需用 lock 或 Monitor
// 64 位讀寫在 32 位系統：必須用 Interlocked.Read/Exchange

注意事項

• 僅適用於單一變數的簡單操作，複雜不變條件仍需鎖。
• CompareExchange 是無鎖演算法核心（CAS），理解其語意至關重要。
• 避免在迴圈中過度自旋（Spin），高爭用時考慮 Thread.SpinWait 或改用鎖。
• .NET 4.6+ 提供 Volatile 類別配合記憶體屏障，更精細控制可見性。

圖示說明

（原文包含三張圖片，展示 Interlocked 方法結構、CAS 運作流程、無鎖堆疊示意）