我需要这个字段变为易失性吗？

Question

我有一个线程，它会一直运行，直到另一个线程更改的整数达到特定值。

int cur = this.m_cur;
while (cur > this.Max)
{
    // spin until cur is <= max
    cur = this.m_cur; 
}

这个程序需要将 this.m_cur 声明为易变量才能正常工作吗？是否可能由于编译器优化而导致程序一直处于循环中？

- noctonura

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将int类型变量改为属性，并在setter方法中信号线程，可以使用AutoResetEvent。这样就能解决问题、降低CPU使用率，同时消除volatile关键字的疑虑。 - Martin James

这通常是一个不好的想法，除了一些罕见的情况；你知道你期望旋转多少微秒吗？ - Eric Lippert

当 CPU 循环读取由另一个线程写入的“cur”时，如果轮询线程在 setter 线程写入越限值时没有运行，将无法检测到超出限制的 cur。如果在负载过重的盒子上被抢占，它将需要等待平均半个量子才能检测到超出范围的 cur。如果 cur 在轮询器未运行时再次回到范围内，则根本不会检测到超出范围的情况。 - Martin James

@EricLippert 它将只会在另一个线程的这两行代码之间旋转，因此应该非常快。旋转的轮询线程也是BelowNormal优先级。 if（Interlocked.Add（ref this.m_cur，x）> this.Max） this.m_cur = this.Max; - noctonura

Answer 1

是的，这是一个严格要求。即时编译器允许将m_cur的值存储在处理器寄存器中，而不刷新它从内存中的值。实际上，x86的jit编译器会这样做，而x64的jit则不会（至少我上次查看的时候是这样）。

volatile关键字是必需的以抑制此优化。

在拥有弱内存模型的Itanium核心上，“volatile”意味着完全不同的事情。不幸的是，这就是进入MSDN库和C#语言规范的内容。在ARM核心上，它将意味着什么还有待观察。

- Hans Passant

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我喜欢你回答他的问题的方式，而不是像许多人那样只是说“用另一种方式”。根据他的需求，信号可能更有效，但他的问题并不是“……或者哪个更好？”此外，我相信我们中的许多人在这里学到了新东西。谢谢。 - payo

@Brian - 我发现在需要使用volatile但没有任何同步的情况下，属性被用于某些情况下感到困惑。BackgroundWorker.CancellationPending是一个很好的例子，它是一个布尔值。我不知道有没有地方描述这一点，volatile的语义非常缺乏文档支持。在.NET之前，它们一直如此。 - Hans Passant

@BrianGideon - 我也可以让它出错。C# .NET 4 在 i7，64位上。 - Martin James

@BrianGideon - 已确认。我找到了这不会出错的原因，因为BackgroundWorker继承自MarshalByRefObject，所以CancellationPending属性不会被内联。感谢您坚持您的观点 :) - Hans Passant

@HansPassant：伙计...还是有些地方不对劲。从我复制的BackgroundWorker代码中删除Component肯定会破坏它。但是，我仍然可以通过对更简单的类进行子类化来演示问题。JIT编译器必须有一些相当复杂的规则来执行这些优化。这也让我想到，在不同的框架版本中，BackgroundWorker实际上可能存在一个非常微妙的错误，正在等待显现。微软真的应该在那个底层字段中添加volatile。 - Brian Gideon

Answer 2

下面的博客详细介绍了C＃中的内存模型。简而言之，使用volatile关键字似乎更安全。 http://igoro.com/archive/volatile-keyword-in-c-memory-model-explained/

来自下面的博客

class Test
{
    private bool _loop = true;

    public static void Main()
    {
        Test test1 = new Test();

        // Set _loop to false on another thread
        new Thread(() => { test1._loop = false;}).Start();

        // Poll the _loop field until it is set to false
        while (test1._loop == true) ;

        // The loop above will never terminate!
    }
}

有两种可能的方法来终止 while 循环：使用锁来保护对 _loop 字段的所有访问（包括读取和写入）；将 _loop 字段标记为 volatile。有两个原因导致非 volatile 字段的读取可能会观察到过时的值：编译器优化和处理器优化。

- David Z.

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似乎完全不使用轮询循环更安全。 - Martin James

大多数情况下是正确的。虽然我想也有使用自旋锁的原因，例如避免让线程放弃上下文切换。 - David Z.

避免上下文切换的问题是，它并不总是容易实现的。此外，OP 代码并不是经典的布尔标志自旋锁。如果因为就绪线程数大于核心数而使箱子过载，轮询线程可能会被抢占并且有一段时间不会运行。在此期间，它无法检测到 'cur' 超出限制。如果在轮询器运行之前 cur 返回了范围内，那么超出限制的条件将被完全忽略。 - Martin James

Answer 3

这取决于如何修改m_cur。如果使用普通的赋值语句，例如m_cur--;，那么它确实需要是易失性的。但是，如果使用其中一个Interlocked操作进行修改，则不需要易失性，因为Interlocked的方法会自动插入内存屏障以确保所有线程都能接收到消息。

一般来说，使用Interlocked修改在线程之间共享的原子值是更可取的选择。它不仅为您处理了内存屏障，而且还比其他同步选项更快。

话虽如此，像其他人所说的轮询循环非常浪费资源。最好暂停需要等待的线程，并让修改m_cur的人在时机成熟时负责唤醒它。根据您的具体需求，Monitor.Wait()和Monitor.Pulse()以及AutoResetEvent可能非常适合这个任务。

- Sean U

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轮询循环解决方案无论如何都不可靠，至少在负载过重的情况下是这样。当轮询器未运行时，设置线程可能会写入超出范围的“cur”。如果在轮询器运行之前“cur”再次回到范围内，则根本不会检测到超出范围的条件。 - Martin James