多執行緒系統中不得不知-volatile

前言

假如你寫過多執行緒系統一定會看過volatile，但你對他的了解有多少？

MSDN對於volatile關鍵字解釋如下.

volatile 關鍵字指出某個欄位可能是由同時執行的多個執行緒所修改。編譯器、執行階段系統，甚至硬體都有可能基於效能因素，而重新排列對記憶體位置的讀取和寫入。宣告為 volatile 的欄位不受限於這些最佳化考量。加入 volatile 修飾詞可確保所有的執行緒都會依執行寫入的順序，觀察任何其他執行緒所執行的暫時性寫入。

MSDN上寫一堆文謅謅的解釋，如果沒有相對應OS或底層概念會很難理解上面敘述

volatile 三大特性

這裡我先總結volatile三大特性

volatile修飾的變數具有可見性
volatile避免指令優化重排
volatile不保證Atomic

本文會針對這三大特性來一一解釋

注意在執行本文程式碼時要把Build Mode改成Release.

volatile令變數具有可見性 & volatile避免指令優化重排

下面有段程式碼.

有一個member物件初始數值Balance=100，建立一個Thread裡面會把member物件的餘額成0

在Main Thread中while (member.balance > 0)有一段程式會等待member.balance=0跳出迴圈.

預期在程式最後印出執行結束!

但如果您使用Release Mode來跑會發現

最後一行執行結束!不會如預期印出來..

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        
        Member member = new Member();
        new Thread(()=>{
            
            System.Console.WriteLine($"Sleep 前~ 餘額剩下:{member.balance}");
            member.UpdateBalance();
            System.Console.WriteLine($"Sleep 結束! 餘額剩下:{member.balance}");
        }).Start();
        
        while (member.balance > 0)
        {
            //等待sub thread把balance改成0跳出迴圈
        }   

        Thread.Sleep(50);
        Console.WriteLine("執行結束!");
        Console.ReadKey();
    }
}

public class Member
{
    public int balance = 100;
    public void UpdateBalance()
    {
        balance = 0;  
    }
}

解釋volatile可見性 & 指令優化重排

每個Thread對於變數操作，會先把Memory記憶體中的變數Copy一份到記憶體中並執行操作，操作完畢再重新寫入Memory中.

概念大致如下圖

所以這就會導致一個問題，假如ThreadA對於變數做異動，但ThreadB不會被通知

一般來說Release Mode，會把程式語言優化(包含一些CPU指令)，所以在multiple-Thread 系統中可能就會遇到一些不預期問題(如此範例)

所以依照上面特性我來總結解釋一下

一開始Main Thread跟sub Thread在取得Balance都是100
sub Thread更新餘額成為0，但Main Thread沒有更新(還是100)
Main Thread進入無限迴圈導致出不來.

使用 volatile 解決問題

解決上面問題我們只需要在balance上加一個volatile就好!

public class Member
{
    public volatile int balance = 100;
    public void UpdateBalance()
    {
        // sub thread update balance to 0
        balance = 0;  
    }
}

執行結果如上，能看到程式可以正常結束了

還記得我一開始的總結前兩條嗎

volatile修飾的變數具有可見性
volatile避免指令優化重排

使用volatile會告訴編譯器別嘗試優化，使用此變數程式碼，無論是讀取還是寫入，都在主記憶體操作。

所以當呼叫UpdateBalance(balance = 0;) 方法時此異動在Main Thread就會看到Memory balance = 0所以就跳出迴圈.

volatile 不保證Atomic

雖然volatile讓變數具有可見性，但不保證Atomic（原子性），這是甚麼意思？

我一樣用下圖來解釋來解釋.

在每個Thread要異動變數都會將數值Copy進Thread中進行修改在異動,就算目前有可見性,但我們不能保證修改指令具有原子性

所以可能造成兩個Thread剛好對於一個數值或物件異動造成Data Racing.

如果要解決此問題可以參閱高併發系統系列-使用lock & Interlocked CAS(compare and swap)

下面的範例來演示我說的問題

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        
        NoAtomicMember m = new NoAtomicMember();
        List<Task> tasks = new List<Task>();

        for (var i = 0; i < 10; i++)
        {
            tasks.Add(Task.Run(()=>{
                for (var i = 0; i < 10000; i++)
                {
                    m.AddBalance();
                }
            }));
        }
        Task.WaitAll(tasks.ToArray());

        System.Console.WriteLine(m.balance);
        Console.ReadKey();
    }
}
public class NoAtomicMember{
        public volatile int balance = 0;
        public void AddBalance(){
            balance+=10;
        }
}

我這個例子使用10個Task來模擬高併發動作,對於同一個數值做新增餘額10000次

理論上我們預期Balance要是10w，但每次執行的結果都不是10w且數值都不一樣，這個問題在正式環境很嚴重.

我們可以使用lock來避免同一時間會有多個Thread對於同一個物件修改

public class NoAtomicMember{
        public int balance = 0;
        object _sync = new object();
        public void AddBalance(){
            lock(_sync){
                balance+=10;
            }
        }
}

修改後結果如下

區域變數或參考型別使用volatile

如果是區域變數或參考型別volatile關鍵字就無法使用,這時候我們可以使用下面兩個method來替代使用.

Thread.VolatileRead
Thread.VolatileWrite

下面是VolatileRead,VolatileWrite原始碼

能發現在裡面都有呼叫MemoryBarrier方法.

MemoryBarrier保證我們程式可見性，概念跟volatile一樣清除cache直接讀取主要Memory資料.

public static Object VolatileRead(ref Object address)
{
    Object ret = address;
    //呼叫組語load 禁止指令重排  從Memory拿到最新資料
    MemoryBarrier(); // Call MemoryBarrier to ensure the proper semantic in a portable way.
    return ret;
}

public static void VolatileWrite(ref Object address, Object value)
{
    //呼叫組語store 禁止指令重排
    MemoryBarrier(); // Call MemoryBarrier to ensure the proper semantic in a portable way.
    address = value;
}

MSDN Thread.MemoryBarrier其中有段說明

同步處理記憶體存取，如下所示：執行目前執行緒的處理器無法以下列方式重新排列指示

IL中使用volatile差異

我們知道C#是透過CLR來運行IL中繼語言，我們可以透過ILSpy來查看上面使用volatile和沒使用volatile差異

沒使用volatile

Main function:

Member Class:

使用volatile

Main function:

Member Class:

上面IL能發現有使用volatile差異在一個指令OpCodes.Volatile

指定目前在評估Heap頂端的位址可能是volatile，並且無法快取讀取該位置的結果，或者無法隱藏存放該位置的多個存放區。

上面是MSDN解釋主要是說使用volatile在Thread中就無法cache該變數資料每次讀取都必須回Memory中讀.

小結

在多執行緒系統中我建議常異動的變數要使用volatile來保證每個Thread讀,寫資料是正確

發現在我們常用的Console類別,運用許多volatile來達到Thread互相資料可見性.

但也要注意volatile不保證Atomic，所以如果有Atomic需求記得要使用CAS或Lock來處理.

另外volatile也不是萬靈丹,既然可以提高可見性想必對於系統會有多一些負擔,所以還是要看情況來使用.

__此文作者__：Daniel Shih(石頭)
__此文地址__： https://isdaniel.github.io/volatile-introduce/
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