【C#】volatile 和内存屏障

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原文:https://learn.microsoft.com/en-us/archive/msdn-magazine/2012/december/csharp-the-csharp-memory-model-in-theory-and-practice

半内存屏障

例如有这样的程序,Init()Print()在不同的线程上执行。

int data = 0;
bool inited = false; // 指示data字段是否已经设置的标志

void Init(){
    data = 42;
    inited = true; // 设置标志,指示data字段已经设置好了
}
void Print(){
    // 如果有inited的标志,打印data字段的值
    // 否则打印 Not initialized!
    if(inited){
        Console.WriteLine(data);
    }else{
        Console.WriteLine("Not initialized!");
    }
}
  • 一个线程执行Init(),在设置好data字段的值后,设置inited字段用来指示data的值已经设置好了。
  • 另一个线程执行Print(),在读取到inited字段为true时,data字段的值应该已经设置好了。

但是由于编译器、JIT和CPU都会重排内存操作指令来优化效率,所以可能会发生下面两种异常情况:

  1. Init()中,写入inited在写入data之前执行,即data字段还没写入值,却已经设置了inited的标志。
  2. Print()中,读取data在读取inited之前执行,就算读取到了inited为true,data的值也可能是未被设置的值(例如,data读取之后、inited读取之前,inited刚刚被设置为true)。

volatile关键字修饰的字段在被写入或被读取时,会加上内存屏障:

  • volatile write:具有release(发布,已完成写入)内存屏障,之前(上面)的语句不能被重排到之后(下面)。
  • volatile read:具有acquire(获取,准备读取)内存屏障,之后(下面)的语句不能被重排到之前(上面)。

现在:

int data = 0;
volatile bool inited = false; // 添加了volatile修饰

void Init(){
    data = 42;
    // 写入inited是volatile write,上面的语句不能被重排到下面,即data写入不会在inited写入之后执行
    inited = true;
}
void Print(){
    // 读取inited是volatile read,下面的语句不能被重排到上面,即data读取不会在inited读取之前执行。
    if(inited){
        Console.WriteLine(data);
    }else{
        Console.WriteLine("Not initialized!");
    }
}

因为内存屏障限制了指令重排,所以在写入inited的时候,data已经被写入好了;在读取inited的时候,data不会被提前读取。

全内存屏障

Thread.MemoryBarrier()会产生一个完全的内存屏障,即屏障之前的指令不能重排到屏障之后,屏障之后的指令也不能重排到屏障之前。

Interlocked的任何操作也会产生全内存屏障,之前和之后的任何指令都不会跨越Interlocked操作。

总结

这篇文章只是用来介绍内存屏障,一般写项目的时候最好不要用volatile
volatile是给标准库和接近CLR的底层代码使用的。
编写应用程序代码时,正确使用锁和Interlocked这类上层并发基元就能处理这些问题。

最后修改于:2023年07月22日 23:00

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