C#中安全并行机制的唯一性和引用不可变性研究

近来，微软、微软研究院和华盛顿大学的不少知名人士正在对 C#中的新变量类型进行研究。该变量类型引入了语言级别上的可读性和不可变引用（immutable references）的概念。这意味着每种引用有四种权限的限定符，这些限定符会修改变量和参数。

C#中的普通引用是“可写（writable）”权限。这表示引用所指向的对象可以用普通的方法和属性设置进行修改。

下一种限定符是“可读（readable）”权限。可读引用是对象的一种只读视图。在这种权限下你还是可以修改对象，只是不能用特殊的引用方式进行修改。

如果任何一种引用都无法修改某对象，那么这种引用就称作为“不可变（immutable）”。不可变引用也被称作只读引用，不可变引用所指向的所有对象都是不可变的。

最后一种权限限定符叫做“隔离（isolated）”，表示“对外部唯一对象簇的外部引用”。这是个相对复杂的概念。想象一下，在某个图表中你有一些可变对象，你能够通过简单或复杂方法引用，但是你不能在图表之外直接引用这些对象。除非这个对象是根聚集，这是一种例外。研究中的图 1 也许能更清楚地表示这种限定符：

很多研究集中探讨了对象如何在这四种限定符之间进行转换。这个概念在创建复杂、不可变的对象图表中至关重要。在传统的功能性编程语言当中，程序自下而上地创建不可变对象图表。由于对开发语言的依赖，这使得内部循环变得困难甚至不可行。这还可能造成性能下降，特别是当开发过程中的叶节点需要进行修改时。

而在新模式下，对象图表首先从可变对象中创建，正如传统的面向对象编程风格的图表。被标记成“隔离”的单个变量去引用根图表。之后你可以用函数将变量所对应的值从“隔离”T 转换成“不可变”T，以达到“恢复不可变性”的作用。（谨记，“隔离”和“不可变”是变量类型的限定符，而非它们所引用的对象类型。）

这样做的主要原因在于，这让我们可以使用更安全的并行机制。编译器能够通过权限的限定符来判断程序是否安全地访问对象，并且不会引入竞争条件。尽管这样做无法彻底地消除死锁，但至少能够减少死锁的频率。

这种设计还开启了优化编译器及执行环境的新途径。

比如对不可变数据，并发的垃圾回收可以使用更灵活的可读边界。编译器变得更支持 Code Motion 以及缓存，并支持通过 MSIL-to-native 传递将不可变数据保留为二进制方式。

Colin S. Gordon、Matthew J. Parkinson、Jared Parsons、Aleks Bromfield 和 Joe Duffy 共同撰写了《安全的并行机制的唯一性和不可变性引用》。

查看英文原文： Research into Uniqueness and Reference Immutability for Safe Parallelism in C#

感谢侯伯薇对本文的审校。

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