三十、混合线程同步构造（Hybrid Thread Synchronization Constructs）

⚡ 第30章：混合线程同步构造 —— 快与稳的平衡术

---

🎯 导言

把线程同步看成一场“守城战”：

• 短刀兵（用户模式）：快，适合近战，解决瞬间冲突。
• 重甲兵（内核模式）：稳，能长期对抗，但调动慢。
• 混合兵（Hybrid）：聪明的将军，先短刀应付，若打不下来再调重兵。

👉 这就是“混合同步构造”：快的时候快，必要时稳。

---

🧩 一、什么是混合锁？

混合锁 (Hybrid Lock) = 自旋锁 (SpinWait) + 内核等待 (Event/Monitor)。

• 如果锁很快就释放 → 用自旋，线程原地等几步。
• 如果锁长期占用 → 转而交给内核，线程休眠，让出 CPU。

📊 原理图

flowchart TD A[线程请求锁] --> B{锁空闲?} B -- 是 --> C[立即获取-进入临界区] B -- 否 --> D[短暂自旋] D --> E{释放了?} E -- 是 --> C E -- 否 --> F[进入内核等待] F --> G[锁释放信号 -> 唤醒线程] G --> C

[[临界区]]

📝 示例：简化版混合锁

class SimpleHybridLock
{
    private int _waiters = 0;
    private AutoResetEvent _waitEvent = new AutoResetEvent(false);

    public void Enter()
    {
        if (Interlocked.Increment(ref _waiters) == 1)
            return; // 第一个人直接进
        _waitEvent.WaitOne(); // 其他人排队
    }

    public void Leave()
    {
        if (Interlocked.Decrement(ref _waiters) == 0)
            return;
        _waitEvent.Set(); // 通知下一个
    }
}

📌 用途：比单纯 lock 更轻量，避免频繁线程切换。

---

🧱 二、FCL 中的混合同步兵器

.NET 自带的“混合部队”：

• ManualResetEventSlim / SemaphoreSlim
  • 内部：先自旋，短等时不进内核。
• Monitor / lock
  • 语法糖兵器，自动用混合策略。
• ReaderWriterLockSlim
  • 多人同时读，一个人写，读多写少场景性能佳。
• CountdownEvent / Barrier
  • 队伍集结、分阶段出发。
• ConcurrentQueue / ConcurrentDictionary
  • 内部用了分段锁/混合策略，让容器线程安全。

---

🧠 三、双重检查锁 (DCL) —— 防止“假对象”

场景比喻：你想造一辆坦克（单例对象）。

• 别人进来时可能看到“还没完全装好”的半成品 → 崩溃。
• 解决：加 volatile 或内存屏障，禁止 CPU 重排。

private static volatile Singleton _instance;
private static object _lock = new object();

public static Singleton Instance
{
    get
    {
        if (_instance == null)
        {
            lock (_lock)
            {
                if (_instance == null)
                    _instance = new Singleton();
            }
        }
        return _instance;
    }
}

---

🔃 四、条件变量模式 —— 哨兵与号角

Monitor.Wait + Monitor.Pulse
就像士兵在门口守着（Wait），直到听到号角（Pulse）才行动。

Queue<int> queue = new Queue<int>();
object locker = new object();

void Producer()
{
    lock (locker)
    {
        queue.Enqueue(42);
        Monitor.Pulse(locker); // 吹号角，通知士兵
    }
}

void Consumer()
{
    lock (locker)
    {
        while (queue.Count == 0)
            Monitor.Wait(locker); // 门口站岗
        Console.WriteLine($"消费 {queue.Dequeue()}");
    }
}

---

⚡ 五、异步时代的新武器

async/await 带来了新的战场：

• 不能再靠阻塞线程 → 需要异步同步工具。

常见：

• SemaphoreSlim.WaitAsync()
• AsyncManualResetEvent（第三方常见工具类）

private SemaphoreSlim _semaphore = new SemaphoreSlim(1, 1);

public async Task CriticalSectionAsync()
{
    await _semaphore.WaitAsync();
    try
    {
        // 异步任务的安全区
    }
    finally
    {
        _semaphore.Release();
    }
}

---

📚 六、并发集合 —— 自动带锁的仓库

• ConcurrentQueue<T>：排队取任务，生产/消费安全。
• BlockingCollection<T>：带阻塞 + 上限，典型“生产者-消费者”模型。
• ConcurrentDictionary<K,V>：安全的全局字典，常用于缓存。
• ConcurrentBag<T>：无序口袋，线程安全地临时存放对象。

---

🎮 Unity 开发实战

• 资源加载缓存：ReaderWriterLockSlim，读多写少。
• 任务队列：ConcurrentQueue<Action>，多个线程生产，主线程消费。
• 异步下载：SemaphoreSlim.WaitAsync 限流，避免并发过多压垮带宽。
• 延迟初始化：用 DCL 实现单例 GameManager.Instance。

---

🎯 面试题精选

Q1：混合锁的优势是什么？

• 答：短冲突快（自旋），长冲突稳（内核等待），比纯 SpinLock/Monitor 更均衡。

Q2：ReaderWriterLockSlim 适合哪些场景？

• 答：读远多于写，比如配置读取、资源缓存。

Q3：为什么双重检查锁要加 volatile？

• 答：防止 CPU 重排，避免返回半初始化对象。

Q4：生产者-消费者模式怎么实现？

• 答：用 Monitor.Wait + Monitor.Pulse，或直接用 BlockingCollection<T>。

Q5：并发集合比自己写 lock 有什么好处？

• 答：内部优化了锁策略，支持高并发，性能更优。

---

✅ 总结

• 混合同步构造 = 快与稳的平衡
• .NET 提供了 Slim 系列、ReaderWriterLockSlim、并发集合等高级工具
• 经典模式：双重检查锁、条件变量、Barrier/CountdownEvent
• 异步场景：需要新的同步原语（SemaphoreSlim.WaitAsync 等）