C# Interlocked原子操作详解（多线程安全编程必备技巧）

什么是原子操作？

原子操作是指一个操作在执行过程中不会被其他线程打断。换句话说，这个操作要么完全执行成功，要么完全不执行，不存在“执行到一半”的状态。这保证了在多线程环境下对共享变量的操作是线程安全的。

为什么需要 Interlocked 类？

考虑下面这段代码：

int counter = 0;// 线程A执行counter++;// 线程B同时执行counter++;

表面上看，counter++ 只是一行代码，但实际上它包含三个步骤：

1. 从内存中读取 counter 的值
2. 将该值加1
3. 将新值写回内存

如果两个线程几乎同时执行这三步，就可能出现以下情况：两个线程都读取到0，各自加1后都写回1，最终结果是1而不是预期的2。这就是典型的竞态条件。

Interlocked 类常用方法介绍

Interlocked 类位于 System.Threading 命名空间，提供了多种原子操作方法。以下是几个最常用的：

1. Interlocked.Increment / Decrement

原子地对变量进行加1或减1操作，并返回新值。

using System;using System.Threading;using System.Threading.Tasks;class Program{    static int counter = 0;    static void Main()    {        var tasks = new Task[10];        for (int i = 0; i < 10; i++)        {            tasks[i] = Task.Run(() =>            {                for (int j = 0; j < 1000; j++)                {                    Interlocked.Increment(ref counter);                }            });        }        Task.WaitAll(tasks);        Console.WriteLine($"最终计数器值: {counter}"); // 输出 10000    }}

2. Interlocked.Exchange

原子地设置变量的值，并返回变量的旧值。

int oldValue = Interlocked.Exchange(ref someVariable, newValue);// someVariable 现在是 newValue// oldValue 是 someVariable 原来的值

3. Interlocked.CompareExchange

这是实现无锁算法的核心方法。它比较变量的当前值与预期值，如果相等，则用新值替换；否则不做任何操作。无论是否替换，都返回变量的原始值。

// 实现一个简单的自旋锁private int lockState = 0; // 0 = unlocked, 1 = lockedpublic bool TryAcquireLock(){    return Interlocked.CompareExchange(ref lockState, 1, 0) == 0;}public void ReleaseLock(){    Interlocked.Exchange(ref lockState, 0);}

Interlocked vs 锁（Lock）

你可能会问：既然有 lock 关键字，为什么还要用 Interlocked？两者各有优劣：

• 性能：Interlocked 操作通常比锁更快，因为它们是基于 CPU 指令实现的，不需要操作系统介入。
• 适用范围：Interlocked 只适用于简单的数值操作（如加减、交换），而锁可以保护任意复杂的代码块。
• 死锁风险：Interlocked 不会引发死锁，而锁使用不当可能导致死锁。

实际应用场景

Interlocked 在以下场景非常有用：

• 计数器（如请求次数统计）
• 标志位的设置（如是否已初始化）
• 实现无锁数据结构（如队列、栈）
• 资源引用计数

总结

通过本教程，我们学习了 C# 中 Interlocked 类的基本用法及其在多线程安全编程中的重要作用。Interlocked 提供了一种高效、无锁的方式来执行简单的原子操作，特别适合用于计数器、状态标志等场景。

记住，在编写并发程序时，始终要考虑线程安全问题。当你只需要对单个变量进行简单操作时，优先考虑使用 Interlocked 而不是重量级的锁机制。这不仅能提升性能，还能避免死锁等复杂问题。

希望这篇关于 C# Interlocked原子操作 和 Interlocked类使用教程 的文章能帮助你更好地理解和应用这一强大的工具！