C# Volatile的具體使用

更新時間：2021年11月14日 10:04:49 作者：dotNet源計劃

本文主要介紹了C# Volatile的具體使用，文中通過示例代碼介紹的非常詳細，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們可以參考一下

1.Overview

經(jīng)常研究.NET源碼庫的小伙伴會經(jīng)常看到一個關鍵字volatile，那它在開發(fā)當中的作用是什么呢？

我們一起來看看官方文檔里是怎么描述的，如下：

“volatile 關鍵字指示一個字段可以由多個同時執(zhí)行的線程修改。出于性能原因，編譯器，運行時系統(tǒng)甚至硬件都可能重新排列對存儲器位置的讀取和寫入。聲明為 volatile 的字段將從某些類型的優(yōu)化中排除。不確保從所有執(zhí)行線程整體來看時所有易失性寫入操作均按執(zhí)行順序排序。”

本文將圍繞這部分進行解讀。

聲明語法如下：

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點。

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

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

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

因為靜態(tài)方法內(nèi)聲明的變量，每個線程調用時都會新創(chuàng)建一份，而不會共用一個存儲單元。比如這里的val每個線程都會創(chuàng)建自己的一份，因此不會有線程安全問題。注意：靜態(tài)變量，由于是在類加載時占用一個存儲區(qū)每個線程都是共用這個存儲區(qū)的，所以如果在靜態(tài)方法里使用了靜態(tài)變量；這就會有線程安全問題。

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

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表達volatile的作用。

public class Program
{
       public static int bookNum = 0;

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

           Thread juster = new Thread(() =>
          {
               Console.WriteLine("juster沒帶書，等待家長送書到學校...");

               while (bookNum == 0) {}

               Console.WriteLine("juster拿到書，開始上課聽講。");
          });
           juster.Name = nameof(juster);
           juster.Start();

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

               Thread.Sleep(2000);

               Console.WriteLine("parent找到了書之后，送往學校...");

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

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

代碼執(zhí)行輸出如下：

這時候詭異的來了，按照正常的代碼執(zhí)行邏輯不難看出當parent線程執(zhí)行Sendbook()的時候juster應該就能拿到書上課了。但是這里juster卻一直沒有拿到是為什么呢？

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

為什么Release版本效率高呢？怎么得來的？下面這段代碼來解釋：

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)象是因為Release編譯的時候編譯器會對代碼進行‘優(yōu)化'。這段是最直觀能看到的‘優(yōu)化'效果，其實C#編譯器將你的代碼轉換成中間語言（IL）。然后，JIT將IL轉換成本機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。

但是實際上在上述代碼中count的值始終為0；所以循環(huán)永遠不會執(zhí)行，沒有必要編譯循環(huán)內(nèi)的代碼在編譯后會被‘優(yōu)化'。說了這么多，只是為了給大伙證明Release編譯這一層會存在‘優(yōu)化'；接下來繼續(xù)回到volatile上。

說到這里，如何解決各種‘優(yōu)化'帶來的問題呢？這時候只需要在booknum前面加上volatile關鍵字修飾即可。

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

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

           Thread juster = new Thread(() =>
          {
               Console.WriteLine("juster沒帶書，等待家長送書到學校...");

               while (bookNum == 0) { }

               Console.WriteLine("juster拿到書，開始上課聽講。");
          });
           juster.Name = nameof(juster);
           juster.Start();


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

               Thread.Sleep(2000);

               Console.WriteLine("parent找到了書之后，送往學校...");

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

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

在被各種優(yōu)化之后，booknum因為是值類型在每個線程訪問時會發(fā)生復制且又是在靜態(tài)方法中被修改。所以每個線程都會復制booknum的值到當前線程上下文中緩存起來。這樣就導致了parent線程修改了booknum的值juster線程看不到的情況。這個時候就需要用volatile關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或寄存器中重復使用。最后booknum會在運行的過程中修改值且其他線程能‘共享訪問'達到最終的效果。