C#中Volatile的使用方法有哪些

本篇內容介紹了“C#中Volatile的使用方法有哪些”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

1.Overview

經常研究.NET源碼庫的小伙伴會經常看到一個關鍵字volatile，那它在開發當中的作用是什么呢？

我們一起來看看官方文檔里是怎么描述的，如下：

“volatile 關鍵字指示一個字段可以由多個同時執行的線程修改。出于性能原因，編譯器，運行時系統甚至硬件都可能重新排列對存儲器位置的讀取和寫入。聲明為 volatile 的字段將從某些類型的優化中排除。不確保從所有執行線程整體來看時所有易失性寫入操作均按執行順序排序。”

本文將圍繞這部分進行解讀。

聲明語法如下：

class VolatileTest
{
   public volatile int sharedStorage;
   
   public void Test(int i)
  {
       sharedStorage = i;
  }
}

2.Detail

我們先了解一下前置知識點。

（1）在CLR中將對sbyte、byte、short、ushort、int、uint、char、float 和 bool。以及引用類型保證讀寫時原子性的（long、double不是原子性讀寫）變量中的所有字節都是一次性寫入或讀取的。

（2）Framework Class Library(FCL) 保證所有靜態方法都是線程安全的。這意味著假如兩個線程同時調用一個靜態方法，不會有數據被損壞。為什么？

public static string Print(String str)
{
   string val = "";
   val += str;
   return val;
}

因為靜態方法內聲明的變量，每個線程調用時都會新創建一份，而不會共用一個存儲單元。比如這里的val每個線程都會創建自己的一份，因此不會有線程安全問題。注意：靜態變量，由于是在類加載時占用一個存儲區每個線程都是共用這個存儲區的，所以如果在靜態方法里使用了靜態變量；這就會有線程安全問題。

（3）內存、CPU緩存（注：下列為簡述內容，實際上不僅如此）

CPU緩存，CPU集成的緩存。

內存，內存條硬件提供的存儲空間。

我們繼續回到主要內容上，用下面的若干代碼示例來表達volatile的作用。

public class Program
{
       public static int bookNum = 0;

       public static void Main(string[] args)
      {
           Console.WriteLine("juster書的數量：" + bookNum);

           Thread juster = new Thread(() =>
          {
               Console.WriteLine("juster沒帶書，等待家長送書到學校...");

               while (bookNum == 0) {}

               Console.WriteLine("juster拿到書，開始上課聽講。");
          });
           juster.Name = nameof(juster);
           juster.Start();

           Thread parent = new Thread(() =>
          {
               Console.WriteLine("parent在屋里找書中...");

               Thread.Sleep(2000);

               Console.WriteLine("parent找到了書之后，送往學校...");

               SendBook();
          });
           parent.Name = nameof(parent);
           parent.Start();
      }

       public static void SendBook()
      {
           bookNum = 1;
      }
}

代碼執行輸出如下：

這時候詭異的來了，按照正常的代碼執行邏輯不難看出當parent線程執行Sendbook()的時候juster應該就能拿到書上課了。但是這里juster卻一直沒有拿到是為什么呢？

心細的小伙伴應該觀察到了這里的運行模式是Release，眾所周知Release是.Net的發布版本執行效率會比Debug版本要高。

為什么Release版本效率高呢？怎么得來的？下面這段代碼來解釋：

上面這張反編譯的圖不難看出，10*10-100這段代碼直接編譯成0了。這種現象是因為Release編譯的時候編譯器會對代碼進行‘優化'。這段是最直觀能看到的‘優化'效果，其實C#編譯器將你的代碼轉換成中間語言（IL）。然后，JIT將IL轉換成本機CPU指令。此外，C#編譯器、JIT編譯器，甚至CPU本身都可能優化你的代碼。

但是實際上在上述代碼中count的值始終為0；所以循環永遠不會執行，沒有必要編譯循環內的代碼在編譯后會被‘優化'。說了這么多，只是為了給大伙證明Release編譯這一層會存在‘優化'；接下來繼續回到volatile上。

說到這里，如何解決各種‘優化'帶來的問題呢？這時候只需要在booknum前面加上volatile關鍵字修飾即可。

public class Program
{
       public static volatile int bookNum = 0;

       public static void Main(string[] args)
      {
           Console.WriteLine("juster書的數量：" + bookNum);

           Thread juster = new Thread(() =>
          {
               Console.WriteLine("juster沒帶書，等待家長送書到學校...");

               while (bookNum == 0) { }

               Console.WriteLine("juster拿到書，開始上課聽講。");
          });
           juster.Name = nameof(juster);
           juster.Start();


           Thread parent = new Thread(() =>
          {
               Console.WriteLine("parent在屋里找書中...");

               Thread.Sleep(2000);

               Console.WriteLine("parent找到了書之后，送往學校...");

               SendBook();
          });
           parent.Name = nameof(parent);
           parent.Start();
      }

       public static void SendBook()
      {
           bookNum = 1;
      }
}

在被各種優化之后，booknum因為是值類型在每個線程訪問時會發生復制且又是在靜態方法中被修改。所以每個線程都會復制booknum的值到當前線程上下文中緩存起來。這樣就導致了parent線程修改了booknum的值juster線程看不到的情況。這個時候就需要用volatile關鍵字告訴編譯器不需要這樣的優化，表示用volatile定義的變量會被改變,每次都必須從內存中讀取，而不能把他放在CPU cache或寄存器中重復使用。最后booknum會在運行的過程中修改值且其他線程能‘共享訪問'達到最終的效果。

3.Conclusion

Part1

volatile 關鍵字可應用于以下類型的字段：

• 引用類型。

• 指針類型（在不安全的上下文中）。請注意，雖然指針本身可以是可變的，但是它指向的對象不能是可變的。換句話說，不能聲明“指向可變對象的指針”。

• 簡單類型，如 sbyte、byte、short、ushort、int、uint、char、float 和 bool。

• 具有以下基本類型之一的 enum 類型：byte、sbyte、short、ushort、int 或 uint。

• 已知為引用類型的泛型類型參數。

• IntPtr 和 UIntPtr。

其他類型（包括 double 和 long）無法標記為 volatile，因為對這些類型的字段的讀取和寫入不能保證是原子的。若要保護對這些類型字段的多線程訪問，請使用 Interlocked 類成員或使用 lock 語句保護訪問權限。

volatile 關鍵字只能應用于 class 或 struct 的字段。不能將局部變量聲明為 volatile。

Part2

volatile并不能用來做線程同步，它的主要作用時為了讓多個線程之間能看到被修改過后最新的值。

Part3

C#不支持以傳遞引用的方式將volatile字段傳給方法。

int.TryParse("123", out x);

Part4

除了禁止編譯優化，還有同步到內存中因為CPU每個核心都有自己Cache所以需要同步到內存中方便其他核心使用。

Part5

看完本文也能解開小白時期的疑惑，為什么我寫代碼編譯成release版本之后就不能運行報錯的奇特現象了。

Part6

volatile 牽扯到的相關知識點和原理遠遠不止這些。

“C#中Volatile的使用方法有哪些”的內容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業相關的知識可以關注億速云網站，小編將為大家輸出更多高質量的實用文章！