c# C#中的原子操作 Interlocked类详解

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interlocked 不能直接操作普通变量,因其所有方法均要求 ref 参数以确保作用于同一内存地址,依赖 CPU 原子指令;CompareExchange 是唯一支持 CAS 的方法,适用于数值与引用类型;Read/ Add/Increment 在 x86 上对 long 需 LOCK 指令保证原子性,而 int 始终原子;.net 6+ 泛型 CompareExchange 仅安全支持不可变引用类型或纯值类型

c# C#中的原子操作 Interlocked类详解

Interlocked 为什么不能直接操作普通变量

因为 Interlocked 的所有方法都要求传入 ref intref long 等引用类型参数,它底层依赖 CPU 的原子指令(如 x86 的 XCHGLOCK XADD),这些指令必须作用在内存地址上。如果你传一个局部值类型变量(比如 int i = 0;),编译器会报错:「无法将“int”类型的值作为 ref 参数传递」——这不是语法限制,而是语义强制:必须确保操作的是同一块可寻址内存。

常见错误写法:

int value = 42; int result = Interlocked.Add(value, 1); // ❌ 编译失败:期望 ref int

正确做法是始终用 ref 传变量地址:

int value = 42; int result = Interlocked.Add(ref value, 1); // ✅

CompareExchange 是唯一能做“CAS”的方法

Interlocked.CompareExchange 是 C# 中实现无锁编程的核心,它完成「比较并交换」:仅当当前值等于预期值时,才把新值写入,并返回原始值。它不像 AddIncrement 那样只适用于数值,还能用于引用类型(Object、自定义类等)和泛型版本(.NET 6+)。

典型使用场景:

  • 实现线程安全的单例懒加载(不用 lock
  • 构建无锁 / 队列的节点链接逻辑
  • 避免重复初始化共享资源

示例:用 CAS 实现简易计数器初始化

private static int _counter = 0; private static readonly object _initLock = new(); 

public static int GetCounter() { if (_counter == 0) { // 可能多个线程同时进这里,只让一个成功写入 Interlocked.CompareExchange(ref _counter, 1, 0); } return _counter; }

注意:上面例子中,CompareExchange 返回的是交换前的值,所以你得靠返回值判断是否真正执行了赋值,而不是只看条件 _counter == 0 —— 因为判断和交换之间存在竞态窗口。

Read、Add、Increment 在 32/64 位平台上的行为差异

Interlocked.Read 是个特例:它只接受 ref long,且在 x64 上被编译为单条 MOV 指令,在 x86 上则必须用 LOCK MOV(实际是 LOCK XCHG)来保证 64 位读取的原子性。而 Interlocked.Add(ref long, long)Interlocked.Increment(ref long) 在 x86 上同样依赖 LOCK 前缀指令,性能开销略高于 32 位操作。

关键事实:

  • int 类型的 Interlocked 操作在所有平台都是原子的,无需额外同步
  • long 在 x86 上不是自然原子的,必须走 Interlocked,不能直接读/写字段
  • Interlocked.Read(ref long) 是唯一安全读取未对齐或并发更新的 long 字段的方式

错误示范(x86 下可能读到撕裂值):

private long _timestamp; public long GetTimestamp() => _timestamp; // ❌ 可能返回高低 32 位来自不同写入的结果

正确写法:

private long _timestamp; public long GetTimestamp() => Interlocked.Read(ref _timestamp); // ✅

泛型 CompareExchange 在 .NET 6+ 中的适用边界

.NET 6 引入了 Interlocked.CompareExchange(ref T, T, T),但它有硬性约束:类型 T 必须是「不可变的引用类型」或「由编译器保证按位可比的值类型」,实际上目前只安全支持 classStruct(且不含引用字段)、以及 IntPtrUIntPtr 等少数类型。你不能对含字符串字段或 List 的类实例做泛型 CAS —— 编译器会允许,但运行时行为未定义。

更隐蔽的问题是内存模型:泛型版本不保证对字段的重新排序屏蔽,所以在复杂对象状态切换中,仍需配合 volatile.Read/Volatile.WriteMemoryBarrier 使用。

推荐优先级:

  • 简单标志位 → 用 int + CompareExchange(ref int, 1, 0)
  • 对象引用替换 → 用泛型版,但确保 T 是纯数据容器(如 State struct)
  • 含副作用的状态机 → 别硬套 Interlocked,改用 lockSpinLock

真正难的从来不是调哪个方法,而是判断「这个变量的修改是否需要和其他字段的修改保持顺序一致」——这时候 Interlocked 自身解决不了,得看整个同步契约。

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