java - 托管语言是否锁定刷新并重新加载 native 库的变量？

Question

当我们在 C# 和 Java 等托管语言中使用锁时，我们始终可以确保我们处理的是最新数据。

特别是在 Java 内存模型中，它们有一种称为先发生关系 的保证。但我不确定原生库会发生什么情况。

比如说，我有这样的 C 函数:

static int sharedData;      // I'm not declaring this as volatile on purpose here.

void setData(int data) {
    sharedData = data;      // Not using any mutex or the like.
}

int getData() {
    return sharedData;
}

我也有像这样的 C# 代码:

// Thread 1
while( true )
    lock( key )
        setData( ++i );     // Calling a native C function using P/Invoke.

// Thread 2
while( true )
    lock( key )
        DoSomeJob( getData() );

如您所见，如果 C 端的 sharedData 没有声明为 volatile，那么是否仍然可以保证 Thread 2总能得到线程1设置的最新值吗？

同样适用于使用 JNI 的 Java 吗？

Answer 1

As you see, if sharedData from C side is not declared as volatile, then is there still a guarantee that Thread 2 can always get the latest value set by Thread 1?

不，将其标记为 volatile 对任何一种线程都没有影响。

Does the same apply to Java using JNI too?

是的，它也适用于 PHP、Lua、Python 和任何其他可以以这种方式引入 C 库的语言。

详细说明您的第一个问题，C 中的 volatile 关键字不用于线程，它用于告诉编译器不要优化该变量。

以下面的代码为例:

#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include <limits.h>

static bool run; // = false

void do_run(void)
{
    unsigned long v = 1;
    while (run) {
        if (++v == ULONG_MAX) run = false;
    }
    printf("v = %lu\n", v);
}

void set_run(bool value)
{
    run = value;
}

int main(int argc, char** argv)
{
    set_run(true);
    do_run();
    return 0;
}

启用优化后，编译器可能会看到很多区域以无副作用地删除不必要的代码，然后这样做；例如，编译器可以在 do_run 函数中看到 unsigned long v 将始终是 ULONG_MAX 并选择简单地返回 ULONG_MAX 。

事实上，当我在上面的代码上运行 gcc -O3 时，这正是发生的事情，do_run 函数立即返回并打印 v = 18446744073709551615 。

如果您将run 标记为volatile，那么编译器将无法优化该变量，这通常意味着它无法优化具有该变量的代码区域某些方式。

也就是说，当我将 run 更改为 static volatile bool run; 然后使用 gcc -O3 进行编译时，我的程序现在停止等待让循环迭代 18446744073709551615 次。

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除此之外，当您调用外部库时，您拥有的唯一线程安全是由该库中使用的语言提供的。

对于 C，您必须在函数中明确指定线程安全。因此，对于您的代码，即使您在托管代码中使用了 lock 上下文，它仅对托管代码进行锁定，并且 C 代码本身仍然不是线程安全的.

以下面的代码为例:

C代码

static volatile int sharedData;
static volatile bool doRun;
static pthread_t addThread;

void* runThread(void* data)
{
    while (doRun) {
        ++sharedData;
    }
    return NULL;
}

void startThread(void)
{
    doRun = true;
    pthread_create(&addThread, NULL, &runThread, NULL);
}

void stopThread(void)
{
    doRun = false;
}

void setData(int data)
{
    sharedData = data;
}

int getData(void)
{
    return sharedData;
}

C#代码

// Thread 1
startThread();
while (true) {
    lock (key) {
        setData(++i);
    }
}

// Thread 2
while (true) {
    lock (key) {
        i = getData();
    }
}
stopThread();

在这段代码中，当 lock (key) 被调用时，您唯一的保证是 i 将在 C# 代码中受到保护。但是，由于 C 代码也在运行一个线程(因为线程 1 调用了 startThread)，那么您无法保证 C#代码将被正确同步。

要使 C 代码线程安全，您必须专门添加互斥量或信号量以满足您的需要:

static int sharedData;
static volatile bool doRun;
static pthread_t addThread;
static pthread_mutex_t key;

void* runThread(void* data)
{
    while (doRun) {
        pthread_mutex_lock(&key);
        ++sharedData;
        pthread_mutex_unlock(&key);
    }
    return NULL;
}

void startThread(void)
{
    doRun = true;
    pthread_mutex_init(&key, NULL);
    pthread_create(&addThread, NULL, &runThread, NULL);
}

void stopThread(void)
{
    doRun = false;
    pthread_mutex_lock(&key);
    pthread_mutex_unlock(&key);
    pthread_mutex_destroy(&key);
}

void setData(int data)
{
    pthread_mutex_lock(&key);
    sharedData = data;
    pthread_mutex_unlock(&key);
}

int getData(void)
{
    int ret = 0;
    pthread_mutex_lock(&key);
    ret = sharedData;
    pthread_mutex_unlock(&key);
    return ret;
}

通过这种方式，底层库调用得到了适当的保护，并且共享该库内存的任意数量的进程也将是线程安全的。

我应该注意，上面使用 POSIX 进行线程同步，但也可以使用 WinAPI 或 C11 标准互斥锁，具体取决于您的目标系统。

希望对您有所帮助。