C#结构体访问出现锁竞争：来源排查及保留结构体的解决方法

我在C#中定义了如下结构体：

public struct UnitData
{
    public int ID { get; init; }
    public Vector2 XY { get; set; }
}

性能分析时发现，访问XY字段（以及该结构体的其他数据）存在大量锁竞争耗时。将实现从struct改为class后，这个开销就消失了。我的代码里没有加任何锁，程序虽是多线程架构，但操作该数据的代码只在单个后台线程执行。查看中间语言（IL）代码，使用该结构体的代码和属性本身都没有Monitor.Enter或Monitor.Exit的调用。

问题：如果锁不是来自我的代码，它的来源是什么？如何在保留结构体的前提下消除该开销？

XY的示例用法：

public IEnumerable<int> MoveNext(Vector2 location, float radius)
{
    foreach (UnitData item in m_units.Items)
    {
        if (Vector2.Distance(location, item.XY) <= radius)
        {
            yield return item.ID;
        }
    }
}

注：m_units.Items是指向T[]? m_data;的T[]属性，泛型类型为UnitData，该属性会在首次访问后将结果缓存到m_data数组中，避免重复计算。

锁的来源分析 #

锁的触发根源是**.NET对数组的自动线程安全检查**。因为结构体是值类型，遍历数组时会逐个拷贝结构体实例；而JIT编译器在多线程环境下，可能误判这种值类型拷贝操作存在并发风险，从而自动插入锁来保证数组元素访问的安全性——这个锁是CLR底层的隐式锁，不会显式出现在你的IL代码里。

当改为class后，数组存储的是引用类型，遍历仅拷贝引用，不存在值类型实例的拷贝操作，JIT不会触发这个隐式锁逻辑，所以锁竞争开销自然消失。

保留结构体的解决方案 #

• 直接访问底层数组：如果m_data可以直接访问，跳过Items属性的缓存逻辑，直接遍历m_data数组，避免属性访问带来的额外检查触发锁。
• 将结构体改为只读结构体：把UnitData标记为readonly struct，同时将XY的set改为init（或者直接用只读字段）。只读值类型的访问不存在写操作，JIT能判定无需线程安全锁，同时拷贝操作更轻量：

  public readonly struct UnitData
  {
      public int ID { get; init; }
      public Vector2 XY { get; init; }
  }
  

• 用Span<T>遍历数组：通过Span<UnitData>包装数组进行遍历，Span的访问方式更直接，JIT会优化掉不必要的锁检查：

  public IEnumerable<int> MoveNext(Vector2 location, float radius)
  {
      Span<UnitData> span = m_units.m_data.AsSpan();
      foreach (ref readonly UnitData item in span)
      {
          if (Vector2.Distance(location, item.XY) <= radius)
          {
              yield return item.ID;
          }
      }
  }
  

• 禁用数组大小检查（谨慎使用）：在项目中添加编译符号DISABLE_ARRAY_SZ_CHECK，可以关闭CLR对数组的一些安全检查，但前提是你能完全保证数组访问的线程安全和边界合法性。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者user3797758