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从单例模式看C#的volatile关键字

2024-07-11 17:02:48   218人阅读

目录

  1. Singleton示例

  2. volatile解决问题1：CPU缓存

  3. volatile解决问题2：编译器优化（指令乱序）

一. 标准的单例模式示例 ```csharp public sealed class Singleton { // 静态实例 private static volatile Singleton instance = null; // Lock对象，线程安全所用 private static object syncRoot = new Object();

private Singleton() { }

public static Singleton Instance
{
    get
    {
        if (instance == null)                            //一次比较
        {
            lock (syncRoot)
            {
                if (instance == null)                    //二次比较
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

}

```

注意静态示例自动前的修饰符: volatile，为什么必须指定volatile, 如果不使用该关键字，会有什么后果呢。

volatile【易变的】，查msdn： volatile 关键字指示一个字段可以由多同时执行的线程修改。 声明为 volatile 的字段不受编译器优化（假定由单个线程访问）的限制。 这样可以确保该字段在任何时间呈现的都是最新的值。

那在底层到底发生了什么，难道不使用volatile，指令执行时，字段的值还不是新的吗，这得从计算机架构及编译器优化两个方面说起。

二. CPU缓存问题

采用volatile关键字，每次读字段值时，都必须从内存中获取，也就是说，对该字段禁用CPU缓存。

由于现代的CPU都存在多个核心，每个核心有独立的内部缓存，而对象字段最初是保存在内存中的，执行指令前，会首先检查缓存中是否存在该字段，如果没有，从内存中读取数据到CPU缓存，进行运算, 如果缓存存在，则无需访问内存，直接使用缓存的数据。

针对单例模式示例，两个线程分别在两个CPU核心运行，两个核心同时运行到上面语句“第一次比较”，instance字段都保存在各个CPU的内部缓存中，通过lock关键字，两个线程会串行执行lock语句块。

比如核心A已经运行完成lock语句块，内存中的instance已经更新，此时核心B继续运行，由于核心B已经缓存了instance示例，在二次比较时，还是认为instance字段为空，这样就导致 new Singleton()执行了两次。

三. 编译器优化问题

采用volatile关键字， 可以避免指令重新排序（instruction reordering), 例如，考虑如下一个循环： ```csharp while(true) { if(myField) { //do something } }

```

如果myField字段没有指定volatile, 在JIT编译时，出于性能优化考虑，编译器会以如下方式重新排序指令： ```csharp

if(myField) { while(true) { //do something } }

```

这种情况下，如果你在另一个线程中修改字段myFiled, 运行结果将完成不同。 通常情况下，推荐使用lock语句（Monitor.Enter /Monitor.Exit），但如果你在这个语句块内仅仅修改了一个字段，volatile将有更好的性能表现。


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