C#执行顺序与语句编写顺序不符的案例分析
更新:HHH   时间:2023-1-7


这篇文章给大家分享的是有关C#执行顺序与语句编写顺序不符的案例分析的内容。小编觉得挺实用的,因此分享给大家做个参考。一起跟随小编过来看看吧。

前言

编写程序的时候,人们的直观感觉通常认为,程序的执行顺序是按照语句的顺序进行的。然而,许多编程语言的规范是允许实际执行顺序与语句编写顺序不符的。实际上,编译器为了完成某种优化,常常会对一些操作进行适当的顺序调整,导致一些预料之外的现象。

实验现象

首先,通过一个例子来展示这个现象。在一个C# .NET Core 3.1命令行程序中,定义两个全局变量a和b,在线程1中,依次对b和a进行递增。这样,在任何时刻b应当等于a或a+1。

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

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

在线程2中,先读取a的值,然后执行一些其他操作,再读取b的值。如果语句一定是按顺序执行的,那么读取到的b的值应当比读取到的a的值更新,从而b必然大于或等于a(除非b发生了溢出)。编写程序,当b < a时输出它们的值。

  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}");
      }
    }
  }

再编写主程序,启动上述的两个线程。

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

      Console.ReadKey();
    }

使用Debug配置,编译并运行该程序,命令行是没有输出的,符合我们的预期。但是使用Release配置的话,就会出现大量输出,其中a的值比b大1到5不等。

查看反汇编可以看到,在第1个c += b语句处,程序将b的值放到了寄存器中,而后面的语句均使用了该寄存器内存放的值。所以,编译器实际上将对b的读取操作合并并且前置了。以下为反汇编结果片段。

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 

理论分析

在C#语言标准的Basic concepts一章Execution order一节(参见:Basic concepts – C# language specification)中,提到了C#的执行顺序规范。C#程序的副作用在以下关键点处的顺序是被保留的:

  • 对volatile字段的读写
  • lock语句
  • 线程的创建和终结
     

C#程序的执行顺序在满足以下条件的情况下,可以由执行环境任意调整的:

  • 在同一线程内,数据的的依赖关系是被保留的。即,结果与语句按照顺序执行的情况一致。
  • 初始化顺序的规则是被保留的。
  • 相对于volatile字段的读写,副作用的顺序是被保留的。
     

而上述的副作用包括:

  • 读取或写入volatile字段
  • 写入非volatile变量
  • 写入外部资源
  • 抛出异常
     

由此可以推出,C#程序中对非volatile变量的读取顺序可能会被调整。在只有一个线程对该变量进行操作时,这个顺序的调整是保证不会影响结果的;但如果同时有其他的线程正在对变量进行修改,则读取的顺序是无法确定的。

因此,如果有多个线程同时访问的,对值的实时性有要求的变量,应当设置为volatile变量。将上述实验中的静态变量a和b改为volatile变量后,即使是Release配置下,也不会出现命令行的输出,即两个变量的读取顺序符合原始的语句顺序。

结论

在C#程序中,读取非volatile变量的顺序可能被执行环境任意调整。如果某个变量在被读取的时候会被其他线程写入,为了该读取结果的实时性,应当将该变量设置为volatile变量。

感谢各位的阅读!关于C#执行顺序与语句编写顺序不符的案例分析就分享到这里了,希望以上内容可以对大家有一定的帮助,让大家可以学到更多知识。如果觉得文章不错,可以把它分享出去让更多的人看到吧!

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