c# - 为什么写入 24 位结构不是原子的(当写入 32 位结构时似乎是)？

Question

我是一个修补匠——这一点毋庸置疑。出于这个原因(除此之外几乎没有其他原因)，我最近做了一个小实验来证实我的怀疑，即写入 struct 不是原子操作，这意味着所谓的“不可变”值类型，它试图强制执行某些约束，假设可能无法实现其目标。

我写了a blog post about this使用以下类型作为说明:

struct SolidStruct
{
    public SolidStruct(int value)
    {
        X = Y = Z = value;
    }

    public readonly int X;
    public readonly int Y;
    public readonly int Z;
}

虽然上面的看起来像X != Y 或Y != Z 永远不可能为真的类型，在事实上，如果一个值处于“赋值过程中”，同时它被一个单独的线程复制到另一个位置，这可能会发生。

好吧，大不了。好奇心等等。但后来我有这种预感:我的 64 位 CPU 应该实际上能够自动复制 64 位，对吧？那么，如果我摆脱 Z 并只使用 X 和 Y 会怎么样？那只是 64 位；应该可以一步覆盖它们。

果然，它奏效了。(我意识到你们中的一些人现在可能正在皱眉，想，是的，呃。这有什么有趣的？幽默我。)当然，我不知道我的系统是否能保证这一点。我对寄存器、高速缓存未命中等几乎一无所知(我只是在不理解它们的含义的情况下重复我听到的术语)；所以目前这对我来说都是一个黑盒子。

我尝试的下一件事——再次，只是凭直觉——是一个由 32 位组成的结构，使用 2 个 short 字段。这似乎也表现出“原子可分配性”。但是然后我尝试了一个 24 位结构，使用 3 个 byte 字段:不行。

突然间，该结构似乎又一次容易受到“中间分配”副本的影响。

使用 2 个 byte 字段减少到 16 位:又是原子的!

谁能给我解释一下这是为什么？我听说过“bit packing”、“cache line straddling”、“alignment”等等——但我真的不知道那是什么意思，也不知道它在这里是否相关。但我感觉我看到了一种模式，但无法准确地说出它是什么；清晰度将不胜感激。

Answer 1

您正在寻找的模式是 CPU 的 native 字大小。

从历史上看，x86 系列原生使用 16 位值(在此之前是 8 位值)。出于这个原因，您的 CPU 可以自动处理这些:设置这些值是一条指令。

随着时间的推移，原生元素大小增加到 32 位，后来又增加到 64 位。在每种情况下，都会添加一条指令来处理这个特定数量的位。但是，为了向后兼容，旧指令仍然保留，因此您的 64 位处理器可以处理所有以前的 native 大小。

由于您的结构元素存储在连续的内存中(没有填充，即空白空间)，运行时可以利用此知识仅对这些大小的元素执行该单个指令。简而言之，这会产生您所看到的效果，因为 CPU 一次只能执行一条指令(尽管我不确定在多核系统上是否可以保证真正的原子性)。

但是，原生元素大小从来都不是 24 位。因此，没有一条指令可以写入 24 位，因此需要多条指令，这就失去了原子性。