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访问C中的变量是原子操作吗?

multithreading c#

Rory MacLeod · 技术社区 · 18 年前

我一直认为,如果多个线程可以访问一个变量,那么所有对该变量的读取和写入都必须受到同步代码的保护,例如“lock”语句,因为处理器可能在写入过程中切换到另一个线程。

但是,我使用Reflector查看了system.web.security.membership,发现了如下代码:

public static class Membership
{
    private static bool s_Initialized = false;
    private static object s_lock = new object();
    private static MembershipProvider s_Provider;

    public static MembershipProvider Provider
    {
        get
        {
            Initialize();
            return s_Provider;
        }
    }

    private static void Initialize()
    {
        if (s_Initialized)
            return;

        lock(s_lock)
        {
            if (s_Initialized)
                return;

            // Perform initialization...
            s_Initialized = true;
        }
    }
}

为什么在锁外读取S_初始化字段?另一个线程不能同时尝试写入它吗? 变量的读写是原子的吗?

16 回复 | 直到 10 年前

Ben 10 年前

对于确定的答案,请参阅规范。)

cli规范第12.6.6节的分区i指出:“当对某个位置的所有写入访问大小相同时,一致的cli应确保对不大于本机字大小的正确对齐内存位置的读写访问是原子的。”

因此,这证实了S_初始化永远不会是不稳定的,对小于32位的primitve类型的读写是原子的。

特别地, double 和 long ( Int64 和 UInt64 是不保证在32位平台上是原子的。您可以在 Interlocked 类来保护这些。

此外,虽然读和写是原子的,但有一个加、减、递增和递减基本类型的竞争条件,因为它们必须被读取、操作和重写。联锁类允许您使用 CompareExchange 和 Increment 方法。

互锁产生一个内存屏障,以防止处理器重新排序读写。在这个例子中,锁创建了唯一需要的屏障。

abatishchev Karl Johan 13 年前

这是一种(坏的)双重检查锁定模式,即不 C中的螺纹安全!

此代码中有一个大问题:

已初始化的S_不易挥发。这意味着初始化代码中的写入可以在s_initialized设置为true之后移动,而其他线程可以看到未初始化的代码,即使s_initialized对它们为true也是如此。这不适用于Microsoft的框架实现,因为每个写操作都是不稳定的。

但在Microsoft的实现中,对未初始化数据的读取也可以重新排序(即由CPU预取),因此,如果“初始化”为“真”,则读取应初始化的数据可能会导致由于缓存命中而读取旧的未初始化数据(即重新排序读取)。

例如:

Thread 1 reads s_Provider (which is null)  
Thread 2 initializes the data  
Thread 2 sets s\_Initialized to true  
Thread 1 reads s\_Initialized (which is true now)  
Thread 1 uses the previously read Provider and gets a NullReferenceException

在初始化读取S_之前移动S_提供程序的读取是完全合法的,因为任何地方都没有易失性读取。

如果初始化的s_是不稳定的,则在初始化s_的读取之前,不允许移动s_提供程序的读取,并且在s_初始化设置为true且现在一切正常后,不允许移动提供程序的初始化。

乔·达菲还写了一篇关于这个问题的文章: Broken variants on double-checked locking

Leon Bambrick jon Z 18 年前

等等——标题上的问题绝对不是罗里问的真正的问题。

有名无实的问题有一个简单的答案“不”,但当你看到真正的问题时,这根本帮不上什么忙——我认为没有人给出过一个简单的答案。

罗里提出的真正的问题会在很晚的时候提出,并且与他给出的例子更为相关。

为什么读取s_初始化字段在锁外面?

答案也很简单,尽管与变量访问的原子性完全无关。

在锁外读取s_初始化字段是因为 锁很贵 .

由于s_初始化字段本质上是“写入一次”,它将永远不会返回假阳性。

在锁外面读是很经济的。

这是一个 低成本 活动与A 高的获得利益的机会。

这就是为什么它是在锁外读取的——以避免支付使用锁的费用,除非有指示。

如果锁便宜的话,代码就更简单了,并且省略了第一次检查。

(编辑:罗里的回答很好。是的,布尔读取是非常原子化的。如果有人构建了一个具有非原子布尔值读取功能的处理器,那么他们将在dailywtf上显示出来。)

Rory MacLeod 18 年前

正确的答案似乎是,“是的,大多数情况下。”

约翰引用cli规范的答案表明,访问32位处理器上不超过32位的变量是原子的。
C规范第5.5节进一步确认, Atomicity of variable references :

以下数据类型的读写是原子的:bool、char、byte、sbyte、short、ushort、uint、int、float和reference类型。此外,前一列表中具有基础类型的枚举类型的读写也是原子的。其他类型的读写(包括long、ulong、double和decimal)以及用户定义的类型不能保证是原子的。
我的示例中的代码是从成员类中改写的,正如ASP.NET团队自己编写的那样,因此始终可以安全地假定它访问s_初始化字段的方式是正确的。现在我们知道为什么了。

编辑:正如ThomasDanecker指出的那样,即使字段的访问是原子的,也应该真正标记已初始化的 不稳定的 以确保锁定不会因处理器重新排序读写而中断。

Sam Chad 12 年前

初始化功能出现故障。看起来应该更像这样:

private static void Initialize()
{
    if(s_initialized)
        return;

    lock(s_lock)
    {
        if(s_Initialized)
            return;
        s_Initialized = true;
    }
}

如果不在锁内进行第二次检查,可能会执行两次初始化代码。因此,第一个检查是为了节省您不必要地使用锁的性能,第二个检查是针对线程正在执行初始化代码但尚未设置 s_Initialized 标记,这样第二个线程将通过第一个检查并在锁处等待。