引用分配是原子的，為什么需要 Interlocked.Exchange(ref Object, Object) ？

Question

在我的多線程 asmx Web 服務中，我有一個我自己類型 SystemData 的類字段 _allData ，它由幾個標記為volatile List<T>和Dictionary<T> 。 系統數據 ( _allData ) 會_allData刷新一次，我通過創建另一個名為newData對象並用新數據填充它的數據結構來實現。 當它完成時，我只是分配

private static volatile SystemData _allData

public static bool LoadAllSystemData()
{
    SystemData newData = new SystemData();
    /* fill newData with up-to-date data*/
     ...
    _allData = newData.
} 

這應該可以工作，因為分配是原子的，並且引用舊數據的線程繼續使用它，其余的線程在分配后立即擁有新的系統數據。 但是我的同事說我應該使用InterLocked.Exchange而不是使用volatile關鍵字和簡單的賦值，因為他說在某些平台上不能保證引用賦值是原子的。 此外：當我the _allData字段聲明為volatile

Interlocked.Exchange<SystemData>(ref _allData, newData); 

產生警告“對易失性字段的引用不會被視為易失性”我應該怎么想？

Answer 1

這里有很多問題。 一次考慮一個：

引用分配是原子的，為什么需要 Interlocked.Exchange(ref Object, Object) ？

引用分配是原子的。 Interlocked.Exchange 不只做引用分配。 它讀取變量的當前值，隱藏舊值，並將新值分配給變量，所有這些都是原子操作。

我的同事說在某些平台上不能保證引用分配是原子的。 我的同事是對的嗎？

否。引用分配保證在所有 .NET 平台上都是原子的。

我的同事正在從錯誤的前提進行推理。 這是否意味着他們的結論是錯誤的？

不必要。 你的同事可能會出於不好的原因給你很好的建議。 也許您應該使用 Interlocked.Exchange 的原因還有其他一些。 無鎖編程是非常困難的，一旦你偏離了該領域專家所支持的成熟實踐，你就會陷入困境並冒着最糟糕的競爭條件的風險。 我既不是該領域的專家，也不是您的代碼方面的專家，因此我無法以任何方式做出判斷。

產生警告“對易失性字段的引用不會被視為易失性”我應該怎么想？

你應該明白為什么這是一個普遍的問題。 這將導致理解為什么警告在這種特殊情況下不重要。

編譯器給出這個警告的原因是因為將一個字段標記為 volatile 意味着“這個字段將在多個線程上更新——不要生成任何緩存這個字段值的代碼，並確保任何讀取或寫入該字段不會通過處理器緩存不一致“在時間上向前和向后移動”。

（我假設您已經了解了所有這些。如果您沒有詳細了解 volatile 的含義以及它如何影響處理器緩存語義，那么您就不了解它的工作原理，也不應該使用 volatile。無鎖程序很難做到正確；確保您的程序正確，因為您了解它的工作原理，而不是偶然正確。）

現在假設您通過將 ref 傳遞給該字段來創建一個變量，該變量是 volatile 字段的別名。 在被調用的方法中，編譯器沒有任何理由知道引用需要具有可變語義！ 編譯器會高興地為無法實現易失性字段規則的方法生成代碼，但該變量是易失性字段。 這會完全破壞你的無鎖邏輯； 假設始終是始終使用 volatile 語義訪問 volatile 字段。 有時將其視為 volatile 而不是其他時候是沒有意義的； 您必須始終保持一致，否則您無法保證其他訪問的一致性。

因此，當您這樣做時，編譯器會發出警告，因為它可能會完全弄亂您精心開發的無鎖邏輯。

當然，Interlocked.Exchange被編寫為期望一個易變的字段並做正確的事情。 因此，該警告具有誤導性。 我非常后悔； 我們應該做的是實現某種機制，通過這種機制，像 Interlocked.Exchange 這樣的方法的作者可以在方法上放置一個屬性，說“這個采用 ref 的方法對變量強制執行易失性語義，因此禁止警告”。 也許在編譯器的未來版本中我們會這樣做。

Answer 2

要么你的同事弄錯了，要么他知道 C# 語言規范不知道的東西。

變量引用的原子性：

“以下數據類型的讀寫是原子的：bool、char、byte、sbyte、short、ushort、uint、int、float 和引用類型。”

因此，您可以寫入 volatile 引用而不會冒損壞值的風險。

您當然應該小心決定哪個線程應該獲取新數據，以盡量減少一次多個線程執行該操作的風險。

Answer 3

Interlocked.Exchange<T>

將指定類型 T 的變量設置為指定值並返回原始值，作為原子操作。

它改變並返回原始值，它沒有用，因為你只想改變它，正如 Guffa 所說，它已經是原子的。

除非分析器證明它是您的應用程序中的瓶頸，否則您應該考慮取消鎖定，這樣更容易理解並證明您的代碼是正確的。

Answer 4

Iterlocked.Exchange()不僅是原子的，它還負責內存可見性：

以下同步函數使用適當的屏障來確保內存排序：

進入或離開臨界區的函數

通知同步對象的函數

等待功能

聯鎖功能

同步和多處理器問題

這意味着除了原子性之外，它還確保：

• 對於調用它的線程：
  • 沒有重新排序指令（由編譯器、運行時或硬件）。
• 對於所有線程：
  • 在此指令之前從內存中讀取不會看到在此指令之后發生的內存更改（由調用此指令的線程）。 這聽起來很明顯，但緩存行可能會按照寫入的順序刷新到主內存。
  • 此指令之后的所有讀取都將看到此指令所做的更改以及此指令之前（由調用此指令的線程）所做的所有更改。
  • 在此指令更改到達主內存后，將在此指令之后寫入內存（通過在完成時將此指令更改刷新到主內存，而不是讓硬件刷新它自己的定時）。