引用赋值在多线程中安全吗？

Question

我正在用C#构建一个多线程缓存，它将保存一系列Car对象：

public static IList<Car> Cars {get; private set;}

我想知道在没有锁定的情况下更改线程中的引用是否安全？例如：

private static void Loop()
{
  while (true)
  {
    Cars = GetFreshListFromServer();
    Thread.Sleep(SomeInterval);
  }
}

基本上就是看给Cars分配一个新引用是否具有原子性，我猜。

如果没有，我显然必须为我的汽车使用私有字段，并在获取和设置周围进行锁定。

- Steffen

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顺便提一下，static 列表容易受到变异问题的影响；不要在锁之外改变它！ - Marc Gravell

好主意，我可能最终会使用自定义的“get”并返回一个副本或只读版本。 - Steffen

顺便提一下，你考虑过使用ConcurrentDictionary<Car,Car>来增加查找时间O(1)并管理并发吗？另外，你真的应该确保只有一个线程会刷新列表。否则，你将会比所需做更多的网络调用。 - Josh Smeaton

没有考虑过。这似乎非常不错，我可能需要一个 dictionary<int, Car> 来进行查找，所以这可能会很方便。至于刷新，我在静态构造函数中生成线程，因此只会有一个线程。 - Steffen

Answer 1

是的，在语言规范中，引用更新保证是原子操作。

5.5 变量引用的原子性

以下数据类型的读写是原子性的：bool、char、byte、sbyte、short、ushort、uint、int、float和引用类型。此外，具有前面列表中基础类型的枚举类型的读写也是原子性的。其他类型的读写，包括long、ulong、double和decimal以及用户定义类型，则不能保证是原子的。

然而，在一个紧密的循环内，您可能会受到寄存器缓存的影响。除非您的方法调用被内联（这可能会发生），否则在这种情况下不太可能发生。个人建议添加lock以使其简单和可预测，但volatile也可以在这里提供帮助。请注意，完全的线程安全不仅仅是原子性。

在缓存的情况下，我会自己查看Interlocked.CompareExchange——即尝试进行更新，但如果失败，则重新从头开始（从新值开始）并重试。

- Marc Gravell

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+1，非常感谢您的快速回复。您不会碰巧有语言规范的链接吧？如果可以在线获取的话。 - Steffen

@Steffan 只需搜索“C# 语言规范”，很容易找到微软版本。或者搜索 ECMA334 获取 2.0 公共版本。 - Marc Gravell

非常好的阐述，我会看一下 Interlocked.CompareExchange :-) - Steffen

有人能详细解释一下“寄存器缓存可能会使你吃亏”吗？这会有什么后果？ - Nathan

@Nathan 简单来说：线程A不一定能看到线程B对变量所做的更改。这在像 bool shouldRun = true;，while(shouldRun) {...} 这样的情况下尤为明显，而第二个线程则将 shouldRun = false;。 - Marc Gravell

截至2018年10月，最新的标准是C# 5，发布于2017年12月，可在https://www.ecma-international.org/publications/files/ECMA-ST/Ecma-334.pdf上获取，相关章节为：10.6 变量引用的原子性。 - tymtam

Answer 2

在@Marc Gravell的回答中，参考了C#语言规范5.5，重要的是要知道“用户定义类型”这个术语的含义。我没有在C#语言规范中找到关于此用法的清晰定义。在UML和常用语中，类是类型的实例。但在C#语言规范的上下文中，它的含义不清楚。

Visual Basic语言参考部分“用户定义类型”（位于https://msdn.microsoft.com/en-us/library/cec05s9z.aspx）中说：

“以前版本的Visual Basic支持用户定义类型（UDT）。当前版本将UDT扩展为结构。”

因此，似乎用户定义类型是一个结构，而不是一个类。

但是...

根据“C#编程指南”中的“类型”一节（位于https://msdn.microsoft.com/en-us/library/ms173104.aspx）：

一个典型的C#程序使用类库中的类型以及用户定义的类型，这意味着类是一种用户定义的类型。稍后，它举了一个“复杂的用户定义类型”的例子：

MyClass myClass;

这意味着“MyClass”是一种用户定义的类型。然后它说：

“CTS中的每个类型都被定义为值类型或引用类型。这包括.NET Framework类库中的所有自定义类型和您自己定义的类型。”

这意味着开发人员创建的所有类都是“用户定义的类型”。

最后，有一个Stackoverflow条目，在其中讨论了这个术语的含义，但没有得出结论：如何确定C#中的属性是否为用户定义类型？ 因此，为了安全起见，我被迫考虑所有类，无论是我创建的还是在.Net Framework中找到的类，都是用户定义类型，因此不适合用于赋值的线程安全，因为C#语言规范第5.5节中说道：

对于...以及用户定义类型的读写操作不能保证原子性。

很遗憾，在C#语言规范这样一个精确的规范中使用了口语化的术语。由于存在这种歧义，为了线程安全，我可能会编写比“用户定义类型”不包括CLR类更少优化的代码。

因此，我要求进一步澄清此stackoverflow答案，因为它目前的基础留下了这个重大的歧义。就目前而言，对问题“引用赋值是否线程安全？”的答案似乎是“否”。

- Beans

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尽管“用户定义类型”这个术语的使用似乎存在不一致性，但我认为这并不会对原始答案产生质疑。摘录相关部分：“以下数据类型的读写是原子性的：bool、char、...和引用类型。包括…用户定义类型在内的其他类型的读写不能保证是原子性的。” 在我看来，这种情况下的“其他”清楚地排除了最初列表中涵盖的任何内容（即引用类型）。因此，即使“用户定义类型”有时可能用于描述类，但它在这里肯定不是。 - The Mad Coder