7

Если читать горячо любимый msdn можно найти следующую формулировку:

Ключевое слово volatile указывает, что поле может быть изменено несколькими потоками, выполняющимися одновременно. Поля, объявленные как volatile, не проходят оптимизацию компилятором, которая предусматривает доступ посредством отдельного потока. Это гарантирует наличие наиболее актуального значения в поле в любое время.

А также на стороннем ресурсе есть такая :

Согласно MSDN ключевое слово volatile указывает, что поле может быть изменено несколькими потоками, выполняющимися одновременно и поэтому JIT компилятор не будет производить оптимизации с полем

Поправьте, если что пожалуйста, ибо я немного запутался, моя логика следующая : я могу прямо не знать что значение поля модифицируется, когда значение реально модифицируется и из разных потоков. Я говорю компилятору что мне необходимо читать поле не из кеша, ибо из кеша может попасть не валидное значение, а читать прямо из области где она лежит, что дает мне право в любой момент времени, независимо от того менялось оно или не менялось, получать действительно верное значение поля.

5
  • 2
    Как вы мудрено загнули. volatile заставляет не делать оптимизаций и не кешировать переменную. но при всем этом не гарантирует атомарность, как кажется.
    – vitidev
    22 фев 2017 в 8:19
  • @vitidev гарантию атомарности я могу предоставить семафором. но тогда смысл использования volatile ? 22 фев 2017 в 8:44
  • 3
    Смысл есть если один поток пишет (и может читать), а другой только читает. Быстрее семафоров получается. Если же пишут 2 потока, то тут уже нужна атомарность и всякие семафоры.
    – vitidev
    22 фев 2017 в 8:59
  • @vitidev кстати да, допустим если это поле является ключевым - статус, а у нас какой нибудь объект вотчер в потоке другом смотрит на этот статус. 22 фев 2017 в 9:01
  • 1

2 ответа 2

13

C volatile все не так просто, как кажется, т.к. делает он совсем не то, что volatile в C++. Пробивание кэшей является только сайдэффектом, и срабатывает не совсем так, вы этого ожидаете.

Тем не менее, он используется чаще всего ради пробивания кэшей, и даже в MSDN по volatile он приведен именно на примере "пробивания кэша" при чтении свойства.

private volatile bool _shouldStop;

// в одном потоке
while (!_shouldStop)
{
    Console.WriteLine("Worker thread: working...");
}

// в другом потоке
_shouldStop = true;

Но, при этом, тот же пример из MSDN отлично работает, если слово volatile убрать. В чем подвох?

Что на самом деле делает volatile, и почему он "пробивает кэш"? И пробивает ли он его вообще, и существуют ли способы "пробить кэш"?

В спецификации C# volatile упоминается в паре мест - §3.10 Execution order и §10.5.3 Volatile fields.

3.10 Execution order

Execution of a C# program proceeds such that the side effects of each executing thread are preserved at critical execution points. A side effect is defined as a read or write of a volatile field, a write to a non-volatile variable, a write to an external resource, and the throwing of an exception. The critical execution points at which the order of these side effects must be preserved are references to volatile fields (§10.5.3), lock statements (§8.12), and thread creation and termination.

По сути, оптимизатор не может переносить запись или чтение volatile поля за lock, переносить его через throw и еще через пару определенных конструкций. Ни слова о кешировании. т.е. в ситуации

... много кода без critical execution points (локов, работы с volatile и прочим)
volatile read

оптимизатор волен сделать

volatile read
... много кода без critical execution points (локов, работы с volatile и прочим)

и даже lock в этом случае не поможет:

... много кода без critical execution points, сайдэффектов и чтения памяти
lock 
{    
    volatile read
}

законно превращается в

lock 
{    
    volatile read
    ... много кода без critical execution points, сайдэффектов и чтения памяти
}

ок, вторая часть спеки

10.5.3 Volatile fields

A read of a volatile field is called a volatile read. A volatile read has “acquire semantics”; that is, it is guaranteed to occur prior to any references to memory that occur after it in the instruction sequence.

Опять ни слова про кэширование. Утверждается, что volatile read произойдет не позже, чем он написан в коде (относительно другого доступа к памяти). Гораздо раньше - без проблем!

По сути, volatile запрещает оптимизатору переставлять все обращения к volatile-переменным местами (друг с другом и с другими обращениями к памяти). Для не-volatile переменных подобные перестановки разрешены.

т.е. при выполнении кода

// в одном потоке
a = 1;
b = 1
a = 2;
b = 2;

и

// в другом потоке
Console.WriteLine($"{a} {b}");

для не-volatile переменных вы можете получить ... "2 1"

Запрет такой перестановки - это основное предназначение volatile. Именно так он задуман, и именно в таком виде вписан в спецификацию.


Ок, но он ведь запрещает кэширование? Как он это делает? Что же запрещает рантайму превратить

while (!_shouldStop)
{
    Console.WriteLine("Worker thread: working...");
}

в

регистр = _shouldStop;
while (регистр)
{
    Console.WriteLine("Worker thread: working...");
}

Мешает ему раздел стандарт ECMA-335, раздел I.12.6.7 Volatile reads and writes

An optimizing compiler that converts CIL to native code shall not remove any volatile operation, nor shall it coalesce multiple volatile operations into a single operation.

Оптимизатору JIT просто запрещено заменять несколько чтений (в цикле) одним. Что, на практике, заставляет его вычитывать значение из памяти при каждом упоминании этого значения в коде. Что приводит к "пробиванию кэша" - запрету на использования значения из регистра, вычитанного при прошлом обращении к полю.

Точно так же, сайдэффектом, "кэш" пробивается lock-ом:

lock 
{    
    не-volatile read
}

Acquiring a lock shall implicitly perform a volatile read operation

что запрещает оптимизатору переставить обращение к памяти чуть повыше.

0
2

Ну, в общем, правильно. Всё, что помечено как volatile, читается/пишется оттуда/туда, где реально находится, без кеширования, например, в регистрах, если это, конечно, возможно.

2
  • Да, и при этом очень, очень сильно убивает производительность, поэтому использовать его нужно только в тех случаях, когда иначе уже ну совсем никак.
    – Aleksei
    1 мар 2017 в 20:32
  • @Aleksei обычно там, где volatile решает какую-то проблему, избегать его использования нерационально. Вы, конечно, можете попытаться использовать MemoryBarrier, VolatileRead и VolatileWrite, чтобы вручную организовать корректные чтение/запись, но это стрельба из пушки по воробьям - вы получите кучу проблем, о которых до этого даже не задумывались, а прирост производительности получите минимальный, и вообще не факт, что получите, т.к. ручной вызов этих методов несет с собой накладные расходы, которые могут оказаться существенными там, где нужна такая оптимизация.
    – Fynivx
    2 мар 2017 в 14:24

Ваш ответ

By clicking “Отправить ответ”, you agree to our terms of service and acknowledge you have read our privacy policy.

Всё ещё ищете ответ? Посмотрите другие вопросы с метками или задайте свой вопрос.