.Net core 自旋锁 vs Lock statement/Monitor 的开销在哪？
在 .NET Core 中，选择自旋锁（SpinLock）还是传统的 `lock` 语句（其背后是 `Monitor` 类）来管理多线程并发访问共享资源，其关键的开销差异主要体现在线程挂起与恢复的成本，以及CPU资源的占用方式上。
让我们深入剖析一下：
自旋锁 (SpinLock)： CPU 消耗 vs. 快速响应
想象一下，一个线程尝试获取一个已经被另一个线程持有的自旋锁。此时，这个线程并不会被操作系统立即“叫醒”并投入睡眠。相反，它会“原地待命”，持续不断地在 CPU 上执行一个简单的循环，不断地检查锁的状态。这种行为就像是在原地“旋转”（spin），所以得名自旋锁。
核心开销： CPU 周期消耗。自旋锁最直接的开销是它会持续占用一个 CPU 核心。即使它什么有意义的工作都没做，只是在忙碌地检查锁，但它仍然在消耗 CPU 时间片。如果这个锁被长时间持有，那么持有锁的线程可能会占用一个 CPU 核心相当长的时间，这会影响其他需要 CPU 的线程的执行效率。
优点： 快速响应与低延迟（在锁持有时间短的情况下）。如果锁被持有的时间非常短（例如，仅仅是因为其他线程在执行一个非常快速的操作），那么自旋锁的优势就显现出来了。当锁被释放时，那个一直在“旋转”的线程能够几乎立即捕获到锁，而无需经历操作系统复杂的线程调度过程。线程调度涉及到上下文切换，包括保存当前线程的状态、加载新线程的状态，这本身是有开销的，而且通常比一个简单的循环检查要慢得多。因此，在锁持有时间极短且锁竞争不激烈的情况下，自旋锁可以提供非常低的延迟。
缺点： 资源浪费（在锁持有时间长的情况下）。如果锁被持有的时间较长，或者有多个线程在竞争同一个锁，那么那些“旋转”的线程就会白白浪费 CPU 资源。一个持锁线程可能占用一个核心，而多个等待锁的线程可能又在占用其他核心，导致整个系统的 CPU 利用率飙升，但实际有意义的工作进展却很慢。这就像是大家都在忙，但没人真正把事情做完。
适用场景： 自旋锁特别适合那些锁的持有时间非常短，并且多个线程之间争用锁的频率不是特别高的情况。例如，一些底层的同步原语（如 `Interlocked` 操作的一些内部实现），或者在某些高吞吐量的场景下，当你知道一个锁只会短暂被持有，并且线程切换的开销比短暂占用 CPU 的开销更大时。
`lock` Statement / `Monitor`： 线程挂起与恢复的开销
`lock` 语句是 C 中最常用的线程同步机制，它背后依赖于 `System.Threading.Monitor` 类。当一个线程尝试获取一个已经被其他线程持有的 `lock` 时，情况就完全不同了。
核心开销： 线程调度与上下文切换。当线程在 `lock` 语句中发现锁已经被占用时，它并不会在 CPU 上“旋转”。相反，它会请求操作系统将其置于“睡眠”（或“等待”）状态。操作系统会将这个线程从 CPU 的执行队列中移除，并保存它的当前状态（CPU 寄存器、程序计数器等）。然后，操作系统会选择另一个准备好执行的线程来占用这个 CPU 核心。当持有锁的线程释放锁时，操作系统会收到通知，并从等待队列中唤醒一个（或多个）被挂起的线程。被唤醒的线程需要等待操作系统重新为其分配 CPU 时间片，并恢复其之前保存的状态。
优点： 避免 CPU 资源浪费。`lock` 语句的优势在于，当线程等待锁时，它不会占用 CPU 资源。CPU 可以被用于执行其他需要工作的线程，这对于防止 CPU 资源被低效占用至关重要，尤其是在锁可能被长时间持有的情况下。
缺点： 线程切换的固有开销。虽然避免了 CPU 资源浪费，但线程挂起和恢复的过程本身是有开销的。这个开销包括：
内核模式切换： 线程请求挂起或等待通常需要进入操作系统内核模式，这本身就涉及一些指令执行。
状态保存与恢复： 保存线程当前执行状态（寄存器、堆栈等）以及之后恢复这些状态，都需要时间。
调度器查找与切换： 操作系统调度器需要找到一个新的线程来运行，然后执行实际的上下文切换。
唤醒延迟： 当锁释放后，被唤醒的线程需要等待操作系统调度器再次将它分配到 CPU 上。
这些操作累积起来，当锁的持有时间非常短，或者锁竞争不激烈时，`lock` 语句的线程切换开销可能比自旋锁的短暂 CPU 占用要大。
适用场景： `lock` 语句非常适合绝大多数并发场景，特别是当锁的持有时间不确定，或者可能较长时。它能有效地避免 CPU 资源的浪费，保证系统的整体响应性和吞吐量，即便存在一些线程切换的开销。
总结一下关键的开销差异，用更直观的方式来理解：
自旋锁 就像是你在商店门口排队，但你不是站在那里等，而是不停地绕着商店门口跑圈。如果店员很快就能给你服务，你就能迅速拿到东西；但如果店员忙了很久，你就会白白耗费体力，而且还会挡着别人的路。CPU 资源就是你的体力。
`lock` 语句 (Monitor) 就像是你在商店门口排队，当轮到你但店员还在忙时，你就安静地坐在旁边的椅子上等待。你没有消耗体力，但你需要等待店员叫你，等你坐下、店员叫你、你起身，这中间需要一些“起身坐下”的动作。CPU 资源就是你有机会去做其他事情，而“起身坐下”的动作就是线程切换的开销。
因此，选择哪种锁取决于你对锁持有时间的预估以及对 CPU 资源利用率的权衡。在 .NET Core 中，`lock` 语句依然是默认的首选，因为它的通用性强，并且能有效防止 CPU 资源的浪费，这对于大多数应用来说更为重要。自旋锁则是一种更专业的工具，需要在特定场景下审慎使用，以换取在极短持有时间下的潜在性能优势。
让我们深入剖析一下：
自旋锁 (SpinLock)： CPU 消耗 vs. 快速响应
想象一下，一个线程尝试获取一个已经被另一个线程持有的自旋锁。此时，这个线程并不会被操作系统立即“叫醒”并投入睡眠。相反，它会“原地待命”，持续不断地在 CPU 上执行一个简单的循环，不断地检查锁的状态。这种行为就像是在原地“旋转”（spin），所以得名自旋锁。
核心开销： CPU 周期消耗。自旋锁最直接的开销是它会持续占用一个 CPU 核心。即使它什么有意义的工作都没做，只是在忙碌地检查锁，但它仍然在消耗 CPU 时间片。如果这个锁被长时间持有，那么持有锁的线程可能会占用一个 CPU 核心相当长的时间，这会影响其他需要 CPU 的线程的执行效率。
优点： 快速响应与低延迟（在锁持有时间短的情况下）。如果锁被持有的时间非常短（例如，仅仅是因为其他线程在执行一个非常快速的操作），那么自旋锁的优势就显现出来了。当锁被释放时，那个一直在“旋转”的线程能够几乎立即捕获到锁，而无需经历操作系统复杂的线程调度过程。线程调度涉及到上下文切换，包括保存当前线程的状态、加载新线程的状态，这本身是有开销的，而且通常比一个简单的循环检查要慢得多。因此，在锁持有时间极短且锁竞争不激烈的情况下，自旋锁可以提供非常低的延迟。
缺点： 资源浪费（在锁持有时间长的情况下）。如果锁被持有的时间较长，或者有多个线程在竞争同一个锁，那么那些“旋转”的线程就会白白浪费 CPU 资源。一个持锁线程可能占用一个核心，而多个等待锁的线程可能又在占用其他核心，导致整个系统的 CPU 利用率飙升，但实际有意义的工作进展却很慢。这就像是大家都在忙，但没人真正把事情做完。
适用场景： 自旋锁特别适合那些锁的持有时间非常短，并且多个线程之间争用锁的频率不是特别高的情况。例如，一些底层的同步原语（如 `Interlocked` 操作的一些内部实现），或者在某些高吞吐量的场景下，当你知道一个锁只会短暂被持有，并且线程切换的开销比短暂占用 CPU 的开销更大时。
`lock` Statement / `Monitor`： 线程挂起与恢复的开销
`lock` 语句是 C 中最常用的线程同步机制，它背后依赖于 `System.Threading.Monitor` 类。当一个线程尝试获取一个已经被其他线程持有的 `lock` 时，情况就完全不同了。
核心开销： 线程调度与上下文切换。当线程在 `lock` 语句中发现锁已经被占用时，它并不会在 CPU 上“旋转”。相反，它会请求操作系统将其置于“睡眠”（或“等待”）状态。操作系统会将这个线程从 CPU 的执行队列中移除，并保存它的当前状态（CPU 寄存器、程序计数器等）。然后，操作系统会选择另一个准备好执行的线程来占用这个 CPU 核心。当持有锁的线程释放锁时，操作系统会收到通知，并从等待队列中唤醒一个（或多个）被挂起的线程。被唤醒的线程需要等待操作系统重新为其分配 CPU 时间片，并恢复其之前保存的状态。
优点： 避免 CPU 资源浪费。`lock` 语句的优势在于，当线程等待锁时，它不会占用 CPU 资源。CPU 可以被用于执行其他需要工作的线程，这对于防止 CPU 资源被低效占用至关重要，尤其是在锁可能被长时间持有的情况下。
缺点： 线程切换的固有开销。虽然避免了 CPU 资源浪费，但线程挂起和恢复的过程本身是有开销的。这个开销包括：
内核模式切换： 线程请求挂起或等待通常需要进入操作系统内核模式，这本身就涉及一些指令执行。
状态保存与恢复： 保存线程当前执行状态（寄存器、堆栈等）以及之后恢复这些状态，都需要时间。
调度器查找与切换： 操作系统调度器需要找到一个新的线程来运行，然后执行实际的上下文切换。
唤醒延迟： 当锁释放后，被唤醒的线程需要等待操作系统调度器再次将它分配到 CPU 上。
这些操作累积起来，当锁的持有时间非常短，或者锁竞争不激烈时，`lock` 语句的线程切换开销可能比自旋锁的短暂 CPU 占用要大。
适用场景： `lock` 语句非常适合绝大多数并发场景，特别是当锁的持有时间不确定，或者可能较长时。它能有效地避免 CPU 资源的浪费，保证系统的整体响应性和吞吐量，即便存在一些线程切换的开销。
总结一下关键的开销差异，用更直观的方式来理解：
自旋锁 就像是你在商店门口排队，但你不是站在那里等，而是不停地绕着商店门口跑圈。如果店员很快就能给你服务，你就能迅速拿到东西；但如果店员忙了很久，你就会白白耗费体力，而且还会挡着别人的路。CPU 资源就是你的体力。
`lock` 语句 (Monitor) 就像是你在商店门口排队，当轮到你但店员还在忙时，你就安静地坐在旁边的椅子上等待。你没有消耗体力，但你需要等待店员叫你，等你坐下、店员叫你、你起身，这中间需要一些“起身坐下”的动作。CPU 资源就是你有机会去做其他事情，而“起身坐下”的动作就是线程切换的开销。
因此，选择哪种锁取决于你对锁持有时间的预估以及对 CPU 资源利用率的权衡。在 .NET Core 中，`lock` 语句依然是默认的首选，因为它的通用性强，并且能有效防止 CPU 资源的浪费，这对于大多数应用来说更为重要。自旋锁则是一种更专业的工具，需要在特定场景下审慎使用，以换取在极短持有时间下的潜在性能优势。
网友意见
因为自旋锁本来就不是为了让你在high contention时用的啊。用Monitor遇到资源被占用了就释放线程了，CPU可以干别的去。自旋锁就是不肯释放，过一会儿重新尝试获取资源。假如这个“过一会儿”的开销低于线程调度/切换等开销当然性能就更好，反之不就变成死等了。
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