Lucene.NET 中 64 位 volatile 字段的线程安全改造实践

2025-07-04 11:33:59作者：魏侃纯Zoe

在多线程编程中，volatile 关键字是确保变量可见性的重要手段。然而在 C# 中，volatile 修饰符不能用于 64 位类型（如 long 和 double），这与 Java 的实现存在差异。本文深入探讨了 Lucene.NET 项目中如何处理这一兼容性问题，并提供了实用的线程安全改造方案。

问题背景

在 Java 版本的 Lucene 中，开发者可以自由地对 long 和 double 类型字段使用 volatile 修饰符。但在 C# 中，这种用法会导致编译错误。Lucene.NET 在移植过程中，最初简单地移除了这些 volatile 声明，但这显然不是线程安全的解决方案。

项目中存在多个需要处理的 64 位字段，主要集中在以下几个关键类中：

IndexWriter 中的多个计数器字段
LiveIndexWriterConfig 的配置参数
MergePolicy.OneMerge 的合并字节统计
SegmentCommitInfo 的大小信息
时间相关类的计时字段

解决方案对比

团队评估了三种主要解决方案：

AtomicInt64 封装类
- 优点：封装性好，使用简单
- 缺点：需要额外的堆分配
直接使用 Interlocked 方法
- 优点：无额外分配，性能最佳
- 缺点：需要在多处显式调用，代码分散
使用锁对象
- 优点：实现简单
- 缺点：性能开销较大

经过深入讨论和原型验证，团队最终选择了 AtomicInt64 方案，并决定为 double 类型创建专门的 AtomicDouble 类，通过 BitConverter 进行 long 和 double 之间的转换。

技术实现细节

AtomicInt64 实现

AtomicInt64 类封装了 Interlocked 的各种操作，提供了线程安全的 64 位整数访问：

public class AtomicInt64
{
    private long value;
    
    public long Value
    {
        get => Interlocked.Read(ref value);
        set => Interlocked.Exchange(ref this.value, value);
    }
    
    public long AddAndGet(long delta)
    {
        return Interlocked.Add(ref value, delta);
    }
    
    // 其他原子操作方法...
}

AtomicDouble 实现

对于 double 类型，通过位转换实现原子操作：

public class AtomicDouble
{
    private long value;
    
    public double Value
    {
        get => BitConverter.Int64BitsToDouble(Interlocked.Read(ref value));
        set => Interlocked.Exchange(ref value, BitConverter.DoubleToInt64Bits(value));
    }
    
    // 其他原子操作方法...
}

实际应用案例

以 IndexWriter 为例，改造后的代码结构：

public class IndexWriter
{
    // 原Java代码: private volatile long changeCount;
    private readonly AtomicInt64 changeCount = new AtomicInt64();
    
    public long ChangeCount => changeCount.Value;
    
    public void IncrementChangeCount()
    {
        changeCount.AddAndGet(1);
    }
}

对于 MergePolicy.OneMerge 中的字段：

public class OneMerge
{
    private readonly AtomicInt64 estimatedMergeBytes = new AtomicInt64();
    private readonly AtomicInt64 totalMergeBytes = new AtomicInt64();
    
    public long EstimatedMergeBytes => estimatedMergeBytes.Value;
    
    public void AddToTotalMergeBytes(long bytes)
    {
        totalMergeBytes.AddAndGet(bytes);
    }
}