C#中的“volatile”关键字是否仍然存在漏洞？

Question

Joe Albahari有一个很棒的多线程系列，这是必读的，任何做C#多线程的人都应该熟记于心。

然而，在第4部分中，他提到了volatile的问题：

请注意，应用volatile并不能阻止先写后读的交换，这可能会产生脑筋急转弯。Joe Duffy用下面的例子很好地说明了这个问题：如果Test1和Test2同时在不同的线程上运行，那么a和b的值都可能为0（尽管在x和y上都使用volatile）

然后是MSDN文档不正确的注释：

MSDN文档说明，使用volatile关键字可以确保字段中始终存在最新的值。这是不正确的，因为正如我们所看到的，写入后再读取可以重新排序。

我查看了MSDN文档，上一次更改是在2015年，但仍然列出：

volatile关键字表示一个字段可能被同时执行的多个线程修改。声明为volatile的字段不受假定由单个线程访问的编译器优化的影响。这样可以确保字段中始终存在最新的值。

现在，我仍然避免使用volatile，而是更详细地防止线程使用陈旧数据：

private int foo;
private object fooLock = new object();
public int Foo {
    get { lock(fooLock) return foo; }
    set { lock(fooLock) foo = value; }
}

关于多线程的部分是在2011年写的，这个论点今天仍然有效吗？还是应该不惜一切代价避免volatile，转而使用锁或全内存Geofence，以防止引入非常难以产生的bug，正如前面提到的，这些bug甚至依赖于运行它的CPU供应商？

Answer 1

volatile是一种非常有限的保证。这意味着该变量不受假定从单个线程访问的编译器优化的影响。这意味着，如果从一个线程写入变量，然后从另一个线程读取，那么另一个线程肯定会有最新的值。如果没有volatile，编译器可能会假设单线程访问，例如将值保存在寄存器中，这会阻止其他处理器访问最新的值。

正如您提到的代码示例所示，它不能保护您不让不同块中的方法重新排序。实际上，volatile使每个人都能访问一个volatile变量。它不能保证这些访问组的原子性。

如果您只想确保您的属性具有最新的单个值，您应该能够只使用易失性。

如果您试图像执行原子操作一样执行多个并行操作，问题就会出现。如果你必须强制几个操作在一起是原子的，你需要锁定整个操作。再次考虑这个例子，但是使用锁：

class DoLocksReallySaveYouHere
{
  int x, y;
  object xlock = new object(), ylock = new object();

  void Test1()        // Executed on one thread
  {
    lock(xlock) {x = 1;}
    lock(ylock) {int a = y;}
    ...
  }

  void Test2()        // Executed on another thread
  {
    lock(ylock) {y = 1;}
    lock(xlock) {int b = x;}
    ...
  }
}

锁定原因可能会导致一些同步，这可能会阻止a和b的值为0（我还没有测试过这个）。然而，由于x和y都是独立锁定的，因此a或b仍然可以不确定地以0值结束。

因此，在包装单个变量的修改的情况下，使用易失性应该是安全的，而使用lock并不会更安全。如果你需要原子地执行多个操作，你需要在整个原子块周围使用一个lock，否则调度仍然会导致非确定性行为。

Answer 2

当我阅读MSDN文档时，我相信它是在说，如果在变量上看到volatile，就不必担心编译器优化会把值搞砸，因为它们会重新排序操作。这并不是说你可以避免自己的代码以错误的顺序在不同的线程上执行操作所导致的错误。（尽管无可否认，评论对此并不明确。）

Answer 3

尽管流行的博客文章声称这一点，但其当前实现中的Volatile并没有被破坏。然而，它的指定很糟糕，在字段上使用修饰符来指定内存顺序的想法也不是很好（将Java/C中的volatile与C的原子规范进行比较，后者有足够的时间从早期的错误中学习）。另一方面，MSDN的文章显然是由一个无权谈论并发性的人写的，完全是假的。。唯一明智的选择是完全忽略它。

Volatile保证在访问字段时获取/释放语义，并且只能应用于允许原子读写的类型。不多不少。这足以有效地实现许多无锁算法，例如非阻塞哈希映射。

一个非常简单的示例是使用易失性变量来发布数据。由于x上的不稳定性，以下代码段中的断言不能触发：

private int a;
private volatile bool x;

public void Publish()
{
    a = 1;
    x = true;
}

public void Read()
{
    if (x)
    {
        // if we observe x == true, we will always see the preceding write to a
        Debug.Assert(a == 1); 
    }
}

Volatile不易使用，在大多数情况下，最好使用更高级别的概念，但当性能很重要或要实现一些低级别的数据结构时，Volatile可能非常有用。