C#中ThreadStatic + volatile成员不按预期工作

Question

我正在阅读技巧和窍门帖子，想尝试一些以前从未做过的C#编程内容。因此，以下代码没有实际用途，只是一个“测试函数”，用于查看发生了什么。

无论如何，我有两个静态私有字段：

private static volatile string staticVolatileTestString = "";
[ThreadStatic]
private static int threadInt = 0;

你可以看到，我正在测试 ThreadStaticAttribute 和 volatile 关键字。

无论如何，我有一个测试方法像这样：

private static string TestThreadStatic() {
    // Firstly I'm creating 10 threads (DEFAULT_TEST_SIZE is 10) and starting them all with an anonymous method
    List<Thread> startedThreads = new List<Thread>();
    for (int i = 0; i < DEFAULT_TEST_SIZE; ++i) {
        Thread t = new Thread(delegate(object o) {
            // The anon method sets a newValue for threadInt and prints the new value to the volatile test string, then waits between 1 and 10 seconds, then prints the value for threadInt to the volatile test string again to confirm that no other thread has changed it
            int newVal = randomNumberGenerator.Next(10, 100);
            staticVolatileTestString += Environment.NewLine + "\tthread " + ((int) o) + " setting threadInt to " + newVal;
            threadInt = newVal;
            Thread.Sleep(randomNumberGenerator.Next(1000, 10000));
            staticVolatileTestString += Environment.NewLine + "\tthread " + ((int) o) + " finished: " + threadInt;
        });
        t.Start(i);
        startedThreads.Add(t);
    }

    foreach (Thread th in startedThreads) th.Join();

    return staticVolatileTestString;
}

我希望看到这个函数返回的输出如下所示：

thread 0 setting threadInt to 88
thread 1 setting threadInt to 97
thread 2 setting threadInt to 11
thread 3 setting threadInt to 84
thread 4 setting threadInt to 67
thread 5 setting threadInt to 46
thread 6 setting threadInt to 94
thread 7 setting threadInt to 60
thread 8 setting threadInt to 11
thread 9 setting threadInt to 81
thread 5 finished: 46
thread 2 finished: 11
thread 4 finished: 67
thread 3 finished: 84
thread 9 finished: 81
thread 6 finished: 94
thread 7 finished: 60
thread 1 finished: 97
thread 8 finished: 11
thread 0 finished: 88

然而，我得到的是这个：

thread 0 setting threadInt to 88
thread 4 setting threadInt to 67
thread 6 setting threadInt to 94
thread 7 setting threadInt to 60
thread 8 setting threadInt to 11
thread 9 setting threadInt to 81
thread 5 finished: 46
thread 2 finished: 11
thread 4 finished: 67
thread 3 finished: 84
thread 9 finished: 81
thread 6 finished: 94
thread 7 finished: 60
thread 1 finished: 97
thread 8 finished: 11
thread 0 finished: 88

第二个“半部分”的输出符合预期（我想这意味着ThreadStatic字段正在像我想的那样工作），但似乎一些初始输出已经从第一个“半部分”中被“跳过”。

此外，第一个“半部分”的线程是无序的，但我理解当你调用Start()时，线程不会立即运行；而是内部操作系统控制将根据需要启动线程。编辑：实际上不是这样，我只是以为它们是因为我的大脑错过了连续的数字。

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所以，我的问题是：是什么出了问题导致我在输出的前半部分丢失了几行？例如，'线程3将threadInt设置为84'这一行在哪里？

- Xenoprimate

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我运行了你的代码几次，每次都得到了预期的输出... - Cheng Chen

我敢打赌，在某个地方，字符串上的 += 调用在前一个线程设置值之前获取了该值，并且新线程正在使用新值覆盖它（因此线程1的输出被跳过了）。 - Charleh

这与四核无关。同样的情况也可能发生在单核上。这取决于调度程序何时决定暂停/恢复线程。它可能在四核上发生得更频繁，但也可能相反... - Philip Daubmeier

@Charleh 你编辑了你的评论：是的，我认为这就是发生的事情，Lucero的答案很好地解决了这个问题。 - Xenoprimate

是的，我意识到这不是volatile的作用，我的大脑瞬间爆炸了。 - Charleh

Answer 1

线程是在同时执行。概念上发生的事情是这样的：

staticVolatileTestString += Environment.NewLine + "\tthread " + ((int) o) + " setting threadInt to " + newVal;

1. 线程1读取staticVolatileTestString
2. 线程2读取staticVolatileTestString
3. 线程3读取staticVolatileTestString
4. 线程1添加内容并写回staticVolatileTestString
5. 线程2添加内容并写回staticVolatileTestString
6. 线程3添加内容并写回staticVolatileTestString

这样会导致你的行丢失。在这里使用volatile没有帮助，整个字符串连接过程不是原子的。你需要在这些操作周围使用锁：

private static object sync = new object();

lock (sync) {
    staticVolatileTestString += Environment.NewLine + "\tthread " + ((int) o) + " setting threadInt to " + newVal;
}

- Lucero

Answer 2

MSDN描述了volatile关键字的作用，可以在此处查看：

volatile关键字表示一个字段可能会被多个并发执行的线程修改。声明为volatile的字段不受编译器假定只有单个线程访问的优化影响。这确保了该字段中始终存在最新的值。

这意味着，在您的示例中，发生的情况大致如下（这可能会随时间而变化；取决于调度程序）：

• 线程0从staticVolatileTestString中读取字符串
• 线程0追加'thread 0 setting threadInt to 88'
• 线程0将字符串写回staticVolatileTestString

到目前为止都是预期的，但是：

• 线程1-4从staticVolatileTestString中读取字符串
• 线程1追加'thread 1 setting threadInt to 97'
• 线程2追加'thread 2 setting threadInt to 11'
• 线程2将字符串写回staticVolatileTestString
• ...线程1、2、3正在读取、追加和写入
• 线程4将字符串写回staticVolatileTestString
• 等等...

看到这里发生了什么吗？线程4读取了字符串'thread 0 setting threadInt to 88'，追加了它的'thread 4...'并将其写回，覆盖了线程1、2和3已经写入字符串中的所有内容。

- Philip Daubmeier

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那么你的意思是线程同时读取该值，然后作为单独的操作进行写入，这样就会互相干扰了吗？如果是这种情况，我需要在该字段上加锁（这就是我认为volatile的作用，但是我想它只是确保没有缓存对吧？）编辑：Lucero的答案证实了这一点。 - Xenoprimate

@Motig：在读取字符串或将其写回时，锁定存在，但在两者之间不存在。请记住：字符串是不可变的，因此会创建一个新的字符串实例，并将对该实例的引用线程安全地写回变量中。 - Philip Daubmeier

@Motig：volatile关键字在可变的基本数据类型（bool、int、double等）中运作得很好。然而，在字符串中，您需要设置专用锁，读取字符串，修改它并将其写回，然后释放锁。 - Philip Daubmeier

@Philip：小心。并非所有类型都保证原子读写。ECMA C#规范的12.5节指出：“其他类型（包括long、ulong、double和decimal，以及用户定义的类型）的读写不一定是原子性的。”如果您想要这些类型的原子性保证，那么您还需要一个锁，或者使用其中的一个Interlocked方法。 - LukeH

@LukeH：谢谢您提供的信息，很有用。我刚意识到一个问题，对于一个“volatile int”而言，“i = i + 1;”（读、修改、写）也存在同样的问题。你同样需要在这里使用锁。 - Philip Daubmeier

@Philip：没错，或者用 Interlocked.Add。 - LukeH