C#番外篇-SpinWait

SpinWait封装常见旋转逻辑。在单处理器计算机上，始终使用 “生成” 而不是 “繁忙等待”，在装有超线程技术的 Intel 处理器的计算机上，这有助于防止硬件线程不足。SpinWait 封装了一种很好的旋转和真正的生成。

SpinWait是一个值类型，这意味着低级别代码可以使用 SpinWait，而不必担心不必要的分配开销。SpinWait 对于普通应用程序通常不起作用。在大多数情况下，应使用由 .NET Framework 提供的同步类，如 Monitor 。但在需要自旋等待的大多数情况下， SpinWait 类型应优先于 Thread.SpinWait 方法。

System.Threading.SpinWait 是一种轻型同步类型，可用于低级方案，以避免执行内核事件所需的高成本上下文切换和内核转换。在多核计算机上，如果不得长时间保留资源，更高效的做法是，先让等待线程在用户模式下旋转几十或几百个周期，再重试获取资源。如果资源在旋转后可用，便节省了几千个周期。如果资源仍不可用，那么也只花了几个周期，仍可以进入基于内核的等待。这种“旋转后等待”的组合有时称为“两阶段等待操作” 。

SpinWait 旨在与包装内核事件（如 ManualResetEvent）的 .NET Framework 类型结合使用。SpinWait 本身也可以仅在一个程序中用于提供基本的旋转功能。

SpinWait 不仅仅只是空循环。谨慎实现后，它可以提供适用于一般情况的正确旋转行为，并且本身能够在旋转时间够长（大致是内核转换所需的时间长度）时自行启动上下文切换。例如，在单核计算机上，SpinWait 会立即生成线程的时间片，因为旋转会阻止所有线程取得进展。即使在多核计算机上，SpinWait 也会生成时间片，以防等待线程阻止优先级较高的线程或垃圾回收器。因此，若要在两阶段等待操作中使用 SpinWait，建议在 SpinWait 本身启动上下文切换前，先调用内核等待。SpinWait 提供每次调用 SpinOnce 前都可以检查的 NextSpinWillYield 属性。如果此属性返回 true，启动自己的等待操作。

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看完官方说明一脸懵逼，将上面的语言用通俗的话来说，Thread.Sleep方法在执行时，会将阻止的时间的CPU切换至其他等待的进程，等到Thread.Sleep等待时间到后，再获取CPU的控制权继续执行下一步操作；SpinWait提供了While循环方法，在等待通过循环来阻止当前CPU的释放，一直等待当前方法执行完成然后释放。我们都知道进程在切换的时候会有时间与内存的消耗，所以尽可能使用SpinWait替代Thread.Sleep。

现在我们看下SpinWait结构中的代码：

/// <summary>
/// 循环一次
/// </summary>
/// <remarks>
/// This is typically called in a loop, and may change in behavior based on  the number of times a
/// <see cref="SpinOnce"/> has been called thus far on this instance.
/// </remarks>
public void SpinOnce()
{
    if (NextSpinWillYield)
    {
        int yieldsSoFar = (m_count >= YIELD_THRESHOLD ? m_count -  YIELD_THRESHOLD : m_count);
        //③循环到20次时，执行Thread.Sleep(01)
        if ((yieldsSoFar % SLEEP_1_EVERY_HOW_MANY_TIMES) ==  (SLEEP_1_EVERY_HOW_MANY_TIMES - 1))
        {
            //当前线程挂起，让出cpu
            //所有挂起的线程都有机会竞争当前时间片段，不限制线程优先级
            Thread.Sleep(1);
        }
        //②执行Thread.Yield()5次后，执行Thread.Sleep(0)   
        else if ((yieldsSoFar % SLEEP_0_EVERY_HOW_MANY_TIMES) ==  (SLEEP_0_EVERY_HOW_MANY_TIMES - 1))
        {
            //当前线程挂起，让出cpu
            //(只允许那些优先级相等或更高的线程使用当前的CPU。
            //如果没有，那当前线程会重新使用CPU时间片)
            //（上面已说明，后续补充实现）
            Thread.Sleep(0);
        }
        else
        {
            //当前线程挂起（执行状态->就绪状态）， 让出cpu，
            //（后续补充实现逻辑）
            Thread.Yield();
        }
    }
    else
    {
        //线程等待
        //4,8,16,32,64...位运算，2的n次方
        //①循环10次
        Thread.SpinWait(4 << m_count);
    }
    // m_count 递增; m_count 达到最大值后回滚Count =10
    m_count = (m_count == int.MaxValue ? YIELD_THRESHOLD : m_count + 1);
}

/// <summary>
/// 重置循环计数器
/// </summary>
public void Reset()
{
    m_count = 0;
}
#region Static Methods
/// <summary>
/// 循环.直到condition返回True
/// </summary>
public static void SpinUntil(Func<bool> condition)
{
    SpinUntil(condition, Timeout.Infinite);
}
/// <summary>
/// 循环，直到condition返回True或者时间达到timeout
/// </summary>
public static bool SpinUntil(Func<bool> condition, TimeSpan timeout)
{
    //校验时间格式是否正确
    Int64 totalMilliseconds = (Int64)timeout.TotalMilliseconds;
    if (totalMilliseconds < -1 || totalMilliseconds > Int32.MaxValue)
    {
        throw new System.ArgumentOutOfRangeException(
            "timeout", timeout, "SpinWait_SpinUntil_TimeoutWrong");
    }
    return SpinUntil(condition, (int)timeout.TotalMilliseconds);
}
/// <summary>
/// 直到condition返回True或者时间达到timeout.
/// </summary>
public static bool SpinUntil(Func<bool> condition, int millisecondsTimeout)
{
    //校验时间格式
    if (millisecondsTimeout < Timeout.Infinite)
    {
        throw new ArgumentOutOfRangeException(
           "millisecondsTimeout", millisecondsTimeout,  "SpinWait_SpinUntil_TimeoutWrong");
    }
    //空值校验
    if (condition == null)
    {
        throw new ArgumentNullException("condition",  "SpinWait_SpinUntil_ArgumentNull");
    }
    uint startTime = 0;
    if (millisecondsTimeout != 0 && millisecondsTimeout != Timeout.Infinite)
    {
        //自上次启动计算机以来所经过的时间（以毫秒为单位）。
        startTime = TimeoutHelper.GetTime();
    }
    SpinWait spinner = new SpinWait();
    while (!condition())
    {
        if (millisecondsTimeout == 0)
        {
            return false;
        }
        spinner.SpinOnce();
        //计时
        if (millisecondsTimeout != Timeout.Infinite &&  spinner.NextSpinWillYield)
        {
            if (millisecondsTimeout <= (TimeoutHelper.GetTime() - startTime))
            {
                return false;
            }
        }
    }
    return true;
}
#endregion

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