c# - lock 语句中还需要 volatile 吗？

Question

我在不同的地方读到人们说应该始终使用 lock 而不是 volatile。我发现那里有很多关于多线程的令人困惑的陈述，甚至专家对这里的某些事情也有不同的看法。

经过大量研究，我发现 lock 语句至少也会插入 MemoryBarriers。

例如:

    public bool stopFlag;

    void Foo()
    {
        lock (myLock)
        {
          while (!stopFlag)
          {
             // do something
          }
        }
    }

但如果我没有完全错的话，JIT 编译器可以自由地从不实际读取循环内的变量，而是它可能只从寄存器中读取变量的缓存版本。 如果 JIT 对变量进行寄存器分配，AFAIK MemoryBarriers 将无济于事，它只是确保如果我们从内存中读取值是当前值。

除非有一些编译器魔术说“如果代码块包含 MemoryBarrier，则在 MemoryBarrier 被阻止后注册所有变量的分配”。

除非声明 volatile 或使用 Thread.VolatileRead() 读取，如果 myBool 是从另一个 Thread 设置的为 false，循环可能仍会无限运行，这是正确的吗？如果是，这是否适用于线程之间共享的所有变量？

Answer 1

每当我看到这样的问题时，我下意识的 react 就是“什么都不假设!” .NET 内存模型非常薄弱，而 C# 内存模型尤其值得注意，因为它使用的语言只能适用于内存模型较弱且不再受支持的处理器。那里的任何东西都不能告诉您这段代码中将要发生什么，您可以对锁和内存屏障进行推理，直到您脸色发青，但您却一无所获。

x64 抖动非常干净，很少会出现意外。但它的日子已经屈指可数了，它将在 VS2015 中被 Ryujit 取代。以 x86 抖动代码库为起点的重写。令人担忧的是，x86 抖动会让您陷入困境。双关语。

最好的办法就是尝试一下，看看会发生什么。稍微重写您的代码并使该循环尽可能紧凑，以便抖动优化器可以做任何它想做的事情:

class Test {
    public bool myBool;
    private static object myLock = new object();
    public int Foo() {
        lock (myLock) {
            int cnt = 0;
            while (!myBool) cnt++;
            return cnt;
        }
    }
}

然后像这样测试它:

    static void Main(string[] args) {
        var obj = new Test();
        new Thread(() => {
            Thread.Sleep(1000);
            obj.myBool = true;
        }).Start();
        Console.WriteLine(obj.Foo());
    }

切换到发布版本。 Project + Properties，Build 选项卡，勾选“Prefer 32-bit”选项。 Tools + Options，Debugging，General，取消勾选“Suppress JIT optimization”选项。首先运行调试构建。工作正常，程序在一秒钟后终止。现在切换到 Release 构建，运行并观察它死锁，循环永远不会完成。使用 Debug + Break All 可以看到它在循环中挂了。

要了解原因，请使用 Debug + Windows + Disassembly 查看生成的机器代码。只关注循环:

                int cnt = 0;
013E26DD  xor         edx,edx                      ; cnt = 0
                while (myBool) {
013E26DF  movzx       eax,byte ptr [esi+4]         ; load myBool 
013E26E3  test        eax,eax                      ; myBool == true?
013E26E5  jne         013E26EC                     ; yes => bail out
013E26E7  inc         edx                          ; cnt++
013E26E8  test        eax,eax                      ; myBool == true?
013E26EA  jne         013E26E7                     ; yes => loop
                }
                return cnt;

地址 013E26E8 处的指令讲述了这个故事。注意 myBool 变量是如何存储在 eax 寄存器中的，cnt 是如何存储在 edx 寄存器中的。抖动优化器的标准职责是使用处理器寄存器并避免内存加载和存储，从而使代码更快。请注意，当它测试该值时，它仍然使用寄存器并且不会从内存中重新加载。因此，这个循环永远不会结束，它总是会挂起你的程序。

当然，代码很假，没有人会写这个。实际上，这往往是偶然工作的，您将在 while() 循环中包含更多代码。太多让抖动完全优化可变方式。但是没有硬性规定会告诉您何时发生这种情况。有时它确实成功了，什么都不假设。永远不应跳过适当的同步。只有为 myBool 或 ARE/MRE 或 Interlocked.CompareExchange() 使用额外的锁，您才真正安全。如果你想削减这样一个不稳定的角落，那么你必须检查。

并在评论中指出，改为尝试 Thread.VolatileRead() 。您需要使用 byte 而不是 bool。它仍然挂起，它不是同步原语。