前言

編寫程序的時(shí)候，人們的直觀感覺通常認(rèn)為，程序的執(zhí)行順序是按照語句的順序進(jìn)行的。然而，許多編程語言的規(guī)范是允許實(shí)際執(zhí)行順序與語句編寫順序不符的。實(shí)際上，編譯器為了完成某種優(yōu)化，常常會(huì)對(duì)一些操作進(jìn)行適當(dāng)?shù)捻樞蛘{(diào)整，導(dǎo)致一些預(yù)料之外的現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

首先，通過一個(gè)例子來展示這個(gè)現(xiàn)象。在一個(gè)C# .NET Core 3.1命令行程序中，定義兩個(gè)全局變量a和b，在線程1中，依次對(duì)b和a進(jìn)行遞增。這樣，在任何時(shí)刻b應(yīng)當(dāng)?shù)扔赼或a+1。

    static int a = 0;
    static int b = 0;

    static void Thread1()
    {
      while (true)
      {
        ++b;
        ++a;
      }
    }

在線程2中，先讀取a的值，然后執(zhí)行一些其他操作，再讀取b的值。如果語句一定是按順序執(zhí)行的，那么讀取到的b的值應(yīng)當(dāng)比讀取到的a的值更新，從而b必然大于或等于a（除非b發(fā)生了溢出）。編寫程序，當(dāng)b < a時(shí)輸出它們的值。

  static int c = 0;

  static void Thread2()
  {
    while (true)
    {
      c += b;
      var localA = a;
      c += b;
      var localB = b;
      if (localA > localB)
      {
        Console.WriteLine($"a={localA} b={localB}");
      }
    }
  }

再編寫主程序，啟動(dòng)上述的兩個(gè)線程。

    static void Main(string[] args)
    {
      Task.Run(Thread1);
      Task.Run(Thread2);

      Console.ReadKey();
    }

使用Debug配置，編譯并運(yùn)行該程序，命令行是沒有輸出的，符合我們的預(yù)期。但是使用Release配置的話，就會(huì)出現(xiàn)大量輸出，其中a的值比b大1到5不等。

查看反匯編可以看到，在第1個(gè)c += b語句處，程序?qū)的值放到了寄存器中，而后面的語句均使用了該寄存器內(nèi)存放的值。所以，編譯器實(shí)際上將對(duì)b的讀取操作合并并且前置了。以下為反匯編結(jié)果片段。

00007FFB628A394D mov     rcx,7FFB6292FBD0h 
00007FFB628A3957 mov     edx,1 
00007FFB628A395C call    00007FFBC2387B10 
00007FFB628A3961 mov     esi,dword ptr [7FFB6292FC08h] 
00007FFB628A3967 mov     ecx,esi 
00007FFB628A3969 add     ecx,dword ptr [7FFB6292FC0Ch] 
00007FFB628A396F mov     dword ptr [7FFB6292FC0Ch],ecx 
        var localA = a;
00007FFB628A3975 mov     edi,dword ptr [7FFB6292FC04h] 
        c += b;
00007FFB628A397B add     ecx,esi 
        c += b;
00007FFB628A397D mov     dword ptr [7FFB6292FC0Ch],ecx 
        if (localA > localB)
00007FFB628A3983 cmp     edi,esi 
00007FFB628A3985 jle     00007FFB628A394D 

理論分析

在C#語言標(biāo)準(zhǔn)的Basic concepts一章Execution order一節(jié)（參見：Basic concepts – C# language specification）中，提到了C#的執(zhí)行順序規(guī)范。C#程序的副作用在以下關(guān)鍵點(diǎn)處的順序是被保留的：

• 對(duì)volatile字段的讀寫
• lock語句
• 線程的創(chuàng)建和終結(jié)
  

C#程序的執(zhí)行順序在滿足以下條件的情況下，可以由執(zhí)行環(huán)境任意調(diào)整的：

• 在同一線程內(nèi)，數(shù)據(jù)的的依賴關(guān)系是被保留的。即，結(jié)果與語句按照順序執(zhí)行的情況一致。
• 初始化順序的規(guī)則是被保留的。
• 相對(duì)于volatile字段的讀寫，副作用的順序是被保留的。
  

而上述的副作用包括：

• 讀取或?qū)懭雟olatile字段
• 寫入非volatile變量
• 寫入外部資源
• 拋出異常
  

由此可以推出，C#程序中對(duì)非volatile變量的讀取順序可能會(huì)被調(diào)整。在只有一個(gè)線程對(duì)該變量進(jìn)行操作時(shí)，這個(gè)順序的調(diào)整是保證不會(huì)影響結(jié)果的；但如果同時(shí)有其他的線程正在對(duì)變量進(jìn)行修改，則讀取的順序是無法確定的。

因此，如果有多個(gè)線程同時(shí)訪問的，對(duì)值的實(shí)時(shí)性有要求的變量，應(yīng)當(dāng)設(shè)置為volatile變量。將上述實(shí)驗(yàn)中的靜態(tài)變量a和b改為volatile變量后，即使是Release配置下，也不會(huì)出現(xiàn)命令行的輸出，即兩個(gè)變量的讀取順序符合原始的語句順序。

結(jié)論

在C#程序中，讀取非volatile變量的順序可能被執(zhí)行環(huán)境任意調(diào)整。如果某個(gè)變量在被讀取的時(shí)候會(huì)被其他線程寫入，為了該讀取結(jié)果的實(shí)時(shí)性，應(yīng)當(dāng)將該變量設(shè)置為volatile變量。

總結(jié)

到此這篇關(guān)于關(guān)于C#執(zhí)行順序帶來的一些潛在問題就介紹到這了,更多相關(guān)C#執(zhí)行順序潛在問題內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

最新評(píng)論