摘要
在 Microsoft Windows 平台上有几种以原子方式锁定代码和数据的不同方法。此白皮书的主要目的是向开发人员简要介绍 Windows 中进行锁定的不同方法以及与这些锁定有关的相应性能开销。因为未来架构将是多核架构，因此此信息非常适用。
简介
多线程软件应用对于提升英特尔内核架构的性能至关重要。锁定代码通常是多线程应用中运行最频繁的代码。确定要使用的锁定方法与确定应用中并行处理一样重要。此白皮书的主要目的是向开发人员简要介绍 Windows 中进行锁定的不同方法以及与这些锁定有关的相应性能开销。Window 的某些锁定 API 可能会跳转至操作系统内核。此白皮书将详细说明跳转至内核的 API 以及相应的加入条件。
使用两种不同的锁定内核说明表示不同粒度的锁定的影响。第一种锁定内核模拟锁定和取消锁定动态链接列表（通常用于通过内存管理器维护一个空闲列表）的场景。对于多线程应用，首先需要锁定此列表，线程才能尝试分配或释放内存。第二种锁定内核表示更加精细地锁定，因为它仅获取已获得锁定的线程的 ThreadID，更新全局变量，然后释放锁定。通过采用 1 至 64 的线程数，对高、低争用场景下不同锁定的性能进行测试。每一线程获取执行 10,000,000 次某一运算的锁定，然后释放此锁定。对于这些实验，Windows XP 操作系统计时从 10 毫秒更改为 1 毫秒。
WaitForSingleObject 和 EnterCriticalSection
Microsoft Windows 平台中两种最常用的锁定方法为 WaitForSingleObject 和 EnterCriticalSection。WaitForSingleObject 是一个过载 Microsoft API，可用于检查和修改许多不同对象（如事件、作业、互斥体、进程、信号、线程或计时器）的状态。WaitForSingleObject 的一个不足之处是它会始终获取内核的锁定，因此无论是否获得锁定，它都会进入特权模式 (环路 0)。此 API 还进入 Windows 内核，即使指定的超时为 0，亦如此。此锁定方法的另一不足之处在于，它一次只能处理 64 个尝试对某个对象进行锁定的线程。WaitForSingleObject 的优点是它可以全局进行处理，这使得此 API 能够用于进程间的同步。它还具有为操作系统提供锁定对象信息的优势，从而可以实现公平性及优先级倒置。
通过对关键代码段实施 EnterCriticalSection 和 LeaveCriticalSection API 调用，可以使用 EnterCriticalSection。此 API 具有 WaitForSingleObject 所不具备的优点，因为只有存在锁定争用时，才会进入内核。如果不存在锁定争用，则此 API 会获取用户空间锁定，并且在未进入特权模式的情况下返回。如果存在争用，则此 API 在内核中所采用的路径将与 WaitForSingleObject 极其相似。在低争用的情况下，由于 EnterCriticalSection 不进入内核，因此锁定开销非常低。
不足之处是 EnterCriticalSection 无法进行全局处理，因此无法为线程获取锁定的顺序提供任何保证。EnterCriticalSection 是一种阻塞调用，意味着只有线程获得对此关键区段的访问权限时，该调用才会返回。Windows 引入了 TryEnterCriticalSection，TryEnterCriticalSection 是一种非阻塞调用，无论获得锁定与否都会立即返回。此外，EnterCriticalSection 还允许开发人员使用自旋计数对关键区段进行初始化，在回退前线程会按此自旋计数尝试获取锁定。通过使用 API InitializeCriticalSectionAndSpinCount，完成初始化。自旋计数可以在此调用中进行设置，也可以在注册表中进行设置，以根据不同操作系统及其相应的线程量程对自旋进行更改。
如果存在锁定争用，则 EnterCriticalSection 和 WaitForSingleObject 都会进入内核。如果实现程度过高，从用户模式到特权模式的转换开销将会非常大。
EnterCriticalSection 和 WaitForSingleObject API 调用在对使用数千个周期的运算进行锁定时，通常不会影响性能。在这些情况下，锁定调用本身的开销不会如此突出。会导致性能降低的情况是粒度锁定，获得和释放此锁定要花费数百个周期。在这些情况下，使用用户级别锁定则非常有益。
为了说明在低争用的情况下 WaitForSingleObject 调用与 EnterCriticalSection 调用的开销情况，我们分别在 1 个和 2 个线程上运行了内存管理锁定内核。在低争用的情况下，存在加速比 (WaitForSingleObject_Time / EnterCriticalSection_Time) 大约为 5 倍的性能之差。在 2 个线程持续争用的情况下，使用 EnterCriticalSection 和使用 WaitForSingleObject 之间的差别最小。在低争用的情况下存在性能差距的原因如下：WaitForSingleObject 在每次调用时都进入内核，而 EnterCriticalSection 只有当存在锁定争用时，才进入内核。
线程数量 EnterCriticalSection 时间（毫秒） WaitForSingleObject 时间（毫秒） 加速比
1个线程（无争用） 1781 9187 5.2
2 个线程（争用） 53594 58156 1.1
图1
图 1：显示了在具有 1 个和 2 个线程的情况下，EnterCriticalSection 和 WaitForSingleObject 所对应的内存管理内核情况。EnterCriticalSection 在 1 个线程（无争用）的情况下速度较快，因为如果获得锁定，EnterCriticalSection 不会跳转至内核（特权模式）。
下图 2 说明了 EnterCriticalSection 和 WaitForSingleObject 在高争用时的开销情况，所采用的线程数介于 1 至 64 之间。在本实验中，我们在向动态链接列表中推入值和从中弹出值的同时，锁定和取消锁定该列表。目的是模拟内存分配器空闲列表，为了分配或释放内存，需频繁锁定该列表。内核会主动根据环境切换争用锁定的线程，因此在两次实验中，CPU 平均负载都是 22%。很明显，在高争用情况下，利用 EnterCriticalSection 和 WaitForSingleObject 的开销并无太大差别。
图 2：显示了在具有 1 到 64 条线程的情况下，EnterCriticalSection 和 WaitForSingleObject 所对应的内存管理内核情况。在高争用情况下，与 WaitForSingleObject 和 EnterCriticalSection 所关联的开销并无太大差别。
利用英特尔® VTune 分析器通过基于事件的采样来收集时钟滴答事件，这对于确定 EnterCriticalSection 和 WaitForSingleObject 的争用情况将有所帮
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