并发环境下的缓存容器性能优化：不可变的哈希表

我们在项目中经常会遇到这样的场景：一些信息读取开销较大，但只需要生成一次便可反复使用，因此我们会将其永久地缓存起来。例如在ASP.NET MVC中，系统会根据Controller的名称来缓存对应的元数据。这些缓存容器都有一些共同的特点，便是存储的对象数量有限（少则几十，多不过数千），但都需要在并发环境下被大量地读取，因此必须是线程安全的。那么，我们该如何设计这样的容器呢？

一个非常常见的做法是使用字典（System.Collections.Generic.Dictionary<TKey, TValue>）进行存储。字典使用了“哈希表”这个数据结构，其读取和写入的时间复杂度几乎都是O(1)，性能可谓非常之高。只不过，字典不是线程安全的，例如它在添加元素的时候可能会对内部的bucket数组进行动态调整，这显然不是一个原子操作。因此，它无法直接用户并行环境的读写，我们对它的操作必须加锁。

说起加锁，最简单的方式便是在读和写方法中使用同一个互斥体（mutex）进行lock：

object mutex = new object();
Dictionary<int, int> dict = new Dictionary<int, int>();

// read with lock
lock (mutex)
{
    var value = dict[1];
}

// write with lock
lock(mutex)
{
    dict[1] = 1;
}

这么做可以保证在任意时刻只有单个线程在访问字典，无论读写，这自然做到了线程安全。但是，这么做的话对于并发环境并不友好。因为一个字典是完全可以同时被多个线程“读”的，也就是说，如果我们简单使用lock便会大大降低“读”操作的可并发性，从而对性能产生负面影响。

那么我们能否对“写”操作进行lock，而让“读”操作完全自由呢？例如：

object mutex = new object();
Dictionary<int, int> dict = new Dictionary<int, int>();

// read directly
var value = dict[1];

// write with lock
lock(mutex)
{
    dict[1] = 1;
}

这也是不允许的。因为这样做无法避免在某个线程读取字典的同时，另一个线程正在修改字典。一旦出现读写操作同时进行的情况，字典就很可能被破坏了。因此，其实我们的要求有两点：

只能由单个线程写，但可以由多个线程同时读。
在进行读操作时，不可同时进行写操作。反之亦然。

这便是“读写锁”使用场景。只要使用“写”锁来保护修改操作，而使用“读”锁来保护读取操作，便可以让字典正确并高效地工作在并发环境下。“读写锁”在.NET框架中有着两个实现：ReaderWriterLock和ReaderWriterLockSlim。前者出现在.NET 1.x中，而后者随.NET 2.0发布。两者的区别在于前者性能低，后者性能高，因此在目前，基本上需要读写锁的场景都会建议使用ReaderWriterLockSlim（除了稍后会提到的情况）。

但是，ReaderWriterLockSlim并非不会带来开销，我们接下来的试验便要来验证这一点。首先，我们准备1000个数字，它们便是我们使用的测试数据源：

var source = Enumerable.Range(1, 1000).ToArray();
var dict = source.ToDictionary(i => i);

然后，我们使用CodeTimer测试它在三种情况下的性能：

int iteration = 10000;
CodeTimer.Initialize();

CodeTimer.Time("Read Free", iteration, () =>
{
    foreach (var i in source)
    {
        var ignore = dict[i];
    }
});

var rwLockSlim = new ReaderWriterLockSlim();
CodeTimer.Time("ReaderWriterLockSlim", iteration, () =>
{
    foreach (var i in source)
    {
        rwLockSlim.EnterReadLock();
        var ignore = dict[i];
        rwLockSlim.ExitReadLock();
    }
});

var rwLock = new ReaderWriterLock();
CodeTimer.Time("ReaderWriterLock", iteration, () =>
{
    foreach (var i in source)
    {
        rwLock.AcquireReaderLock(0);
        var ignore = dict[i];
        rwLock.ReleaseReaderLock();
    }
});

最后一种方式使用了性能较差的ReaderWriterLock，我的目的除了表现出它与ReaderWriterLockSlim的性能差距之外，还有一个原因在于.NET 3.5的ReaderWriterLockSlim类会在某些时候读取Environment.ProcesserCount，这在Medium Trust的环境下会引发SecurityException。因此您会发现，在目前的ASP.NET MVC框架中，所有需要读写锁的地方都使用了ReaderWriterLock而不是Slim组件。

试验结果如下：

Read Free
        Time Elapsed:   228ms
        CPU Cycles:     538,190,052
        Gen 0:          0
        Gen 1:          0
        Gen 2:          0

ReaderWriterLockSlim
        Time Elapsed:   1,161ms
        CPU Cycles:     2,783,025,072
        Gen 0:          0
        Gen 1:          0
        Gen 2:          0

ReaderWriterLock
        Time Elapsed:   2,792ms
        CPU Cycles:     6,682,368,396
        Gen 0:          0
        Gen 1:          0
        Gen 2:          0

可见，尽管ReaderWriterLockSlim的性能比ReaderWriterLock要高出许多，但相对于无锁的读取还是有明显差距。这让我感到很不合算，因为这是由缓存容器的使用性质决定的。在一般情况下，这种容器都是“有限次地修改”，而几近“无限次地读取”，尤其到了程序运行后期，所以该使用的对象都已经缓存下来，字典内容更不会产生任何改变——但是，每一次读取还要继续承受ReaderWriterLockSlim的开销，这笔帐相信人人会算。那么，我们又如何能够做到“无锁”地读取呢？既然我们“锁”的目的是因为需要“修改”，那么我们使用“不可变（Immutable）”的容器是否就能有所帮助呢？为此，我向F#借来了Immutable Map。

F#中的Map类定义在Microsoft.FSharp.Core.dll中，这需要安装F# SDK for Visual Studio 2008，当然如果您直接安装了VS 2010自然也就有了相应的程序集——不过一些辅助类库（如Microsoft.FSharp.PowerPack），以及源文件（F#是个开源的语言）还是需要去之前的链接里下载一个压缩包。在项目中引用了程序集后，便可以使用Microsoft.FSharp.Collections命名空间下的FSharpMap类型了。我们也为它准备了同样的试验代码：

var map = source.Aggregate(FSharpMap<int, int>.Empty, (m, i) => m.Add(i, i));
CodeTimer.Time("Immutable Map", iteration, () =>
{
    foreach (var i in source)
    {
        var ignore = map[i];
    }
});

把它和ReaderWriterLockSlim相比，结果如下：

ReaderWriterLockSlim
        Time Elapsed:   1,232ms
        CPU Cycles:     2,963,830,380
        Gen 0:          0
        Gen 1:          0
        Gen 2:          0

Immutable Map
        Time Elapsed:   2,055ms
        CPU Cycles:     4,956,894,996
        Gen 0:          0
        Gen 1:          0
        Gen 2:          0

嗯？为什么使用Immutable Map之后，即便没有锁，性能还是不如ReaderWriterLockSlim的版本呢？阅读代码（fsharp\FSharp.Core\map.fs）之后发现，其原因在于数据结构的选取上。FSharpMap的数据结构是“AVL树”，即自平衡（self-balancing）的二叉搜索树，它的Get操作时间复杂度是O(logN)，N为节点个数——这自然比不过字典的O(1)时间复杂度了。那么，我们能否得到一个Get操作时间复杂度为O(1)的Immutable Map呢？

我在推特上提出这个问题之后不多久，许式伟大牛谈了他的看法：

我的理解中，FP中线性数据结构如数组，Hash等都会失效，所以没有O(1)的Immutable Map。

我同意这个看法。字典的高性能，在于求得key的Hash之后，可以通过数组下标“瞬间”定位到元素所在的bucket，但是在FP中无法做到这一点。不过幸好，我们用的C#并非是FP，我们有自己的“保底”方案：添加元素时将现有的元素完整复制到新的字典中，最后返回的是新的字典。例如：

public static class DictionaryExtensions
{
    public static Dictionary<TKey, TValue> AddImmutably<TKey, TValue>(
        this Dictionary<TKey, TValue> source, TKey key, TValue value)
    {
        var result = source.ToDictionary(p => p.Key, p => p.Value);
        result.Add(key, value);
        return result;
    }
}

这不就是一个“不可变的哈希表”吗？当然，对于真正可应用的缓存容器来说，还需要考虑更多一些东西。我在这里准备了两个缓存容器的基类，可用于此类容器的实现。其中ReadWriteCache类基于ReaderWriterLockSlim，而ReadFreeCache类则基于不可变的字典。那么，这两种做法的性能究竟如何，又分别适合什么样的场景，我们还有没有其他的做法呢？

附加题目