字段由多个线程读取/写入，Interlocked与volatile

Question

在SO上有很多关于Interlocked vs. volatile的问题，我理解并且知道volatile的概念（没有重新排序，总是从内存中读取等）并且我知道Interlocked工作方式是它执行的原子操作。

但我的问题是：假设我有一个从多个线程读取的字段，这是一些引用类型，例如： public Object MyObject; 。 我知道，如果我对它做一个比较交换，就像这样： Interlocked.CompareExchange(ref MyObject, newValue, oldValue) ，互锁保证只将newValue写入ref MyObject引用的内存位置，如果ref MyObject和oldValue当前引用对同一个对象。

但阅读呢？ Interlocked是否保证在CompareExchange操作成功后读取MyObject任何线程将立即获得新值，或者我是否必须将MyObject标记为volatile来确保这一点？

我想知道的原因是我已经实现了一个无锁链接列表，当你为它添加一个元素时，它会不断地更新其内部的“head”节点，如下所示：

[System.Diagnostics.DebuggerDisplay("Length={Length}")]
public class LinkedList<T>
{
    LList<T>.Cell head;

    // ....

    public void Prepend(T item)
    {
        LList<T>.Cell oldHead;
        LList<T>.Cell newHead;

        do
        {
            oldHead = head;
            newHead = LList<T>.Cons(item, oldHead);

        } while (!Object.ReferenceEquals(Interlocked.CompareExchange(ref head, newHead, oldHead), oldHead));
    }

    // ....
}

现在Prepend成功之后，线程读取head保证获得最新版本，即使它没有标记为volatile ？

我一直在做一些实证测试，它似乎工作得很好，我在这里搜索过但没有找到明确的答案（一堆不同的问题和评论/答案都说是相互矛盾的事情）。

Answer 1

Interlocked是否保证在CompareExchange操作成功后读取MyObject的任何线程将立即获得新值，或者我是否必须将MyObject标记为volatile来确保这一点？

是的， 在同一个线程上的后续读取将获得新值。

你的循环展开到这个：

oldHead = head;
newHead = ... ;

Interlocked.CompareExchange(ref head, newHead, oldHead) // full fence

oldHead = head; // this read cannot move before the fence

---

编辑 ：

正常缓存可能发生在其他线程上。 考虑：

var copy = head;

while ( copy == head )
{
}

如果你在另一个线程上运行它，编译器可以缓存head的值，永远不会看到更新。

Answer 2

你的代码应该工作正常。 虽然没有明确记录， Interlocked.CompareExchange方法将产生一个全栅栏屏障。 我想你可以做一个小改动，省略Object.ReferenceEquals调用，转而依赖于!=运算符，默认情况下会执行引用相等。

值得一提的是， InterlockedCompareExchange Win API调用的文档要好得多。

此函数生成完整的内存屏障（或栅栏），以确保按顺序完成内存操作。

遗憾的是，.NET BCL对应的Interlocked.CompareExchange上不存在相同级别的文档，因为它很可能映射到CAS的完全相同的底层机制。

现在Prepend成功之后，线程读取头是否保证获得最新版本，即使它没有标记为volatile？

不，不一定。 如果这些线程不生成获取栅栏屏障，则无法保证它们将读取最新值。 确保在使用head时执行易失性读取。 您已使用Interlocked.CompareExchange调用确保在Prepend 。 当然，该代码可能会以过时的head值经过循环一次，但由于Interlocked操作，下一次迭代将被刷新。

因此，如果您的问题的上下文与其他正在执行Prepend线程相关，那么就不需要做任何其他事情了。

但是，如果您的问题的上下文是关于在LinkedList上执行另一个方法的其他线程，那么请确保在适当的地方使用Thread.VolatileRead或Interlocked.CompareExchange 。

旁注......可能会对以下代码执行微优化。

newHead = LList<T>.Cons(item, oldHead);

我看到的唯一问题是内存是在循环的每次迭代中分配的。 在高争用期间，循环可能在最终成功之前旋转几次。 只要在每次迭代时将链接引用重新分配给oldHead ，您就可以将此行提升到循环之外（这样您就可以获得新的读取）。 这样，内存只分配一次。