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C# Volatile的具體使用

 更新時(shí)間：2021年11月14日 10:04:49   作者：dotNet源計(jì)劃  
本文主要介紹了C# Volatile的具體使用，文中通過(guò)示例代碼介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價(jià)值，感興趣的小伙伴們可以參考一下

​1.Overview

經(jīng)常研究.NET源碼庫(kù)的小伙伴會(huì)經(jīng)?？吹揭粋€(gè)關(guān)鍵字volatile，那它在開(kāi)發(fā)當(dāng)中的作用是什么呢？

我們一起來(lái)看看官方文檔里是怎么描述的，如下：

“volatile 關(guān)鍵字指示一個(gè)字段可以由多個(gè)同時(shí)執(zhí)行的線程修改。出于性能原因，編譯器，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)甚至硬件都可能重新排列對(duì)存儲(chǔ)器位置的讀取和寫(xiě)入。聲明為 volatile 的字段將從某些類(lèi)型的優(yōu)化中排除。不確保從所有執(zhí)行線程整體來(lái)看時(shí)所有易失性寫(xiě)入操作均按執(zhí)行順序排序。”

本文將圍繞這部分進(jìn)行解讀。

聲明語(yǔ)法如下：

class VolatileTest
{
   public volatile int sharedStorage;
   
   public void Test(int i)
  {
       sharedStorage = i;
  }
}

2.Detail

我們先了解一下前置知識(shí)點(diǎn)。

（1）在CLR中將對(duì)sbyte、byte、short、ushort、int、uint、char、float 和 bool。以及引用類(lèi)型保證讀寫(xiě)時(shí)原子性的（long、double不是原子性讀寫(xiě)）變量中的所有字節(jié)都是一次性寫(xiě)入或讀取的。

（2）Framework Class Library(FCL) 保證所有靜態(tài)方法都是線程安全的。這意味著假如兩個(gè)線程同時(shí)調(diào)用一個(gè)靜態(tài)方法，不會(huì)有數(shù)據(jù)被損壞。為什么？

public static string Print(String str)
{
   string val = "";
   val += str;
   return val;
}

因?yàn)殪o態(tài)方法內(nèi)聲明的變量，每個(gè)線程調(diào)用時(shí)都會(huì)新創(chuàng)建一份，而不會(huì)共用一個(gè)存儲(chǔ)單元。比如這里的val每個(gè)線程都會(huì)創(chuàng)建自己的一份，因此不會(huì)有線程安全問(wèn)題。注意：靜態(tài)變量，由于是在類(lèi)加載時(shí)占用一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)每個(gè)線程都是共用這個(gè)存儲(chǔ)區(qū)的，所以如果在靜態(tài)方法里使用了靜態(tài)變量；這就會(huì)有線程安全問(wèn)題。

（3）內(nèi)存、CPU緩存（注：下列為簡(jiǎn)述內(nèi)容，實(shí)際上不僅如此）

CPU緩存，CPU集成的緩存。

內(nèi)存，內(nèi)存條硬件提供的存儲(chǔ)空間。

我們繼續(xù)回到主要內(nèi)容上，用下面的若干代碼示例來(lái)表達(dá)volatile的作用。

public class Program
{
       public static int bookNum = 0;

       public static void Main(string[] args)
      {
           Console.WriteLine("juster書(shū)的數(shù)量：" + bookNum);

           Thread juster = new Thread(() =>
          {
               Console.WriteLine("juster沒(méi)帶書(shū)，等待家長(zhǎng)送書(shū)到學(xué)校...");

               while (bookNum == 0) {}

               Console.WriteLine("juster拿到書(shū)，開(kāi)始上課聽(tīng)講。");
          });
           juster.Name = nameof(juster);
           juster.Start();

           Thread parent = new Thread(() =>
          {
               Console.WriteLine("parent在屋里找書(shū)中...");

               Thread.Sleep(2000);

               Console.WriteLine("parent找到了書(shū)之后，送往學(xué)校...");

               SendBook();
          });
           parent.Name = nameof(parent);
           parent.Start();
      }

       public static void SendBook()
      {
           bookNum = 1;
      }
}

代碼執(zhí)行輸出如下：

這時(shí)候詭異的來(lái)了，按照正常的代碼執(zhí)行邏輯不難看出當(dāng)parent線程執(zhí)行Sendbook()的時(shí)候juster應(yīng)該就能拿到書(shū)上課了。但是這里juster卻一直沒(méi)有拿到是為什么呢？

心細(xì)的小伙伴應(yīng)該觀察到了這里的運(yùn)行模式是Release，眾所周知Release是.Net的發(fā)布版本執(zhí)行效率會(huì)比Debug版本要高。

為什么Release版本效率高呢？怎么得來(lái)的？下面這段代碼來(lái)解釋?zhuān)?/p>

上面這張反編譯的圖不難看出，10*10-100這段代碼直接編譯成0了。這種現(xiàn)象是因?yàn)镽elease編譯的時(shí)候編譯器會(huì)對(duì)代碼進(jìn)行‘優(yōu)化'。這段是最直觀能看到的‘優(yōu)化'效果，其實(shí)C#編譯器將你的代碼轉(zhuǎn)換成中間語(yǔ)言（IL）。然后，JIT將IL轉(zhuǎn)換成本機(jī)CPU指令。此外，C#編譯器、JIT編譯器，甚至CPU本身都可能優(yōu)化你的代碼。

但是實(shí)際上在上述代碼中count的值始終為0；所以循環(huán)永遠(yuǎn)不會(huì)執(zhí)行，沒(méi)有必要編譯循環(huán)內(nèi)的代碼在編譯后會(huì)被‘優(yōu)化'。說(shuō)了這么多，只是為了給大伙證明Release編譯這一層會(huì)存在‘優(yōu)化'；接下來(lái)繼續(xù)回到volatile上。

說(shuō)到這里，如何解決各種‘優(yōu)化'帶來(lái)的問(wèn)題呢？這時(shí)候只需要在booknum前面加上volatile關(guān)鍵字修飾即可。

public class Program
{
       public static volatile int bookNum = 0;

       public static void Main(string[] args)
      {
           Console.WriteLine("juster書(shū)的數(shù)量：" + bookNum);

           Thread juster = new Thread(() =>
          {
               Console.WriteLine("juster沒(méi)帶書(shū)，等待家長(zhǎng)送書(shū)到學(xué)校...");

               while (bookNum == 0) { }

               Console.WriteLine("juster拿到書(shū)，開(kāi)始上課聽(tīng)講。");
          });
           juster.Name = nameof(juster);
           juster.Start();


           Thread parent = new Thread(() =>
          {
               Console.WriteLine("parent在屋里找書(shū)中...");

               Thread.Sleep(2000);

               Console.WriteLine("parent找到了書(shū)之后，送往學(xué)校...");

               SendBook();
          });
           parent.Name = nameof(parent);
           parent.Start();
      }

       public static void SendBook()
      {
           bookNum = 1;
      }
}

在被各種優(yōu)化之后，booknum因?yàn)槭侵殿?lèi)型在每個(gè)線程訪問(wèn)時(shí)會(huì)發(fā)生復(fù)制且又是在靜態(tài)方法中被修改。所以每個(gè)線程都會(huì)復(fù)制booknum的值到當(dāng)前線程上下文中緩存起來(lái)。這樣就導(dǎo)致了parent線程修改了booknum的值juster線程看不到的情況。這個(gè)時(shí)候就需要用volatile關(guān)鍵字告訴編譯器不需要這樣的優(yōu)化，表示用volatile定義的變量會(huì)被改變,每次都必須從內(nèi)存中讀取，而不能把他放在CPU cache或寄存器中重復(fù)使用。最后booknum會(huì)在運(yùn)行的過(guò)程中修改值且其他線程能‘共享訪問(wèn)'達(dá)到最終的效果。

3.Conclusion

Part1

volatile 關(guān)鍵字可應(yīng)用于以下類(lèi)型的字段：

  • 引用類(lèi)型。
  • 指針類(lèi)型（在不安全的上下文中）。請(qǐng)注意，雖然指針本身可以是可變的，但是它指向的對(duì)象不能是可變的。換句話說(shuō)，不能聲明“指向可變對(duì)象的指針”。
  • 簡(jiǎn)單類(lèi)型，如 sbyte、byte、short、ushort、int、uint、char、float 和 bool。
  • 具有以下基本類(lèi)型之一的 enum 類(lèi)型：byte、sbyte、short、ushort、int 或 uint。
  • 已知為引用類(lèi)型的泛型類(lèi)型參數(shù)。
  • IntPtr 和 UIntPtr。

其他類(lèi)型（包括 double 和 long）無(wú)法標(biāo)記為 volatile，因?yàn)閷?duì)這些類(lèi)型的字段的讀取和寫(xiě)入不能保證是原子的。若要保護(hù)對(duì)這些類(lèi)型字段的多線程訪問(wèn)，請(qǐng)使用 Interlocked 類(lèi)成員或使用 lock 語(yǔ)句保護(hù)訪問(wèn)權(quán)限。

volatile 關(guān)鍵字只能應(yīng)用于 class 或 struct 的字段。不能將局部變量聲明為 volatile。

Part2

volatile并不能用來(lái)做線程同步，它的主要作用時(shí)為了讓多個(gè)線程之間能看到被修改過(guò)后最新的值。

Part3

C#不支持以傳遞引用的方式將volatile字段傳給方法。

int.TryParse("123", out x);

Part4

除了禁止編譯優(yōu)化，還有同步到內(nèi)存中因?yàn)镃PU每個(gè)核心都有自己Cache所以需要同步到內(nèi)存中方便其他核心使用。

Part5

看完本文也能解開(kāi)小白時(shí)期的疑惑，為什么我寫(xiě)代碼編譯成release版本之后就不能運(yùn)行報(bào)錯(cuò)的奇特現(xiàn)象了。

Part6

volatile 牽扯到的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和原理遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些。

4.Reference

https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/keywords/volatile?WT.mc_id=WDIT-MVP-5004326

到此這篇關(guān)于C# Volatile的具體使用的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C# Volatile內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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