2020年10月30日星期五

对精致码农大佬的 [理解 volatile 关键字] 文章结论的思考和寻找真相

一：背景

1. 讲故事

昨天在园里的编辑头条看到 精致码农大佬 写的一篇题为：[C#.NET 拾遗补漏]10：理解 volatile 关键字 (https://www.cnblogs.com/willick/p/13889006.html) 的文章，大概就是说在 多线程环境下，一个在debug不出现，在release中出现的bug，原文代码如下：

public class Worker{ private bool _shouldStop; public void DoWork() {  bool work = false;  // 注意：这里会被编译器优化为 while(true)  while (!_shouldStop)  {   work = !work; // do sth.  }  Console.WriteLine("工作线程：正在终止..."); } public void RequestStop() {  _shouldStop = true; }}public class Program{ public static void Main() {  var worker = new Worker();  Console.WriteLine("主线程：启动工作线程...");  var workerTask = Task.Run(worker.DoWork);  // 等待 500 毫秒以确保工作线程已在执行  Thread.Sleep(500);  Console.WriteLine("主线程：请求终止工作线程...");  worker.RequestStop();  // 待待工作线程执行结束  workerTask.Wait();  //workerThread.Join();  Console.WriteLine("主线程：工作线程已终止"); }}

文中分析这个bug是因为在 release 环境下，jit做了 while (!_shouldStop) -> while(true) 的代码优化。

2. 我的质疑

为什么我对这个问题比较敏感呢？第一：这是一个经典的问题，第二：我在 2017-03-20 也写过一篇这样的文章： 享受release版本发布的好处的同时也应该警惕release可能给你引入一些莫名其妙的大bug (https://www.cnblogs.com/huangxincheng/p/6585907.html) ，那篇文章我分析是因为 cpu缓存 和 内存 两者之间不一致导致的脏读，显然和大佬的结论大相径庭，而且两篇文章都存在一个问题，就是草率的下结论，并没有拿出一个完整的证据链来证明真的是这样， 这篇文章的目的就是试着拿出我认为的证据链。

二：真的被优化为 while(true) 了吗

1. 从两次编译阶段中寻找答案

大家应该都知道代码会经历两个阶段的编译： 第一阶段：编译器会把 C# code 编译成 MSIL 代码 ，第二阶段： CLR 会启动 JIT 将 MSIL 编译成机器代码，画一张图如下：

既然大佬说被优化成 while(true) 了，那意思就是说要么在 MSIL 中被优化，要么在 机器码 中被优化,这里我可以用 ILSpy 和 Windbg 去挖一挖，看看大佬说的是否正确？

2. 用 ILSpy 查看 MSIL 是否被优化

把项目编译成 release 模式，直接查看 DoWork() 的MSIL，如下所示：

.method public hidebysig 	instance void DoWork () cil managed {	// Method begins at RVA 0x2048	// Code size 28 (0x1c)	.maxstack 2	.locals init (		[0] bool work	)	IL_0000: ldc.i4.0	IL_0001: stloc.0	IL_0002: br.s IL_0009	// loop start (head: IL_0009)		IL_0004: ldloc.0		IL_0005: ldc.i4.0		IL_0006: ceq		IL_0008: stloc.0		IL_0009: ldarg.0		IL_000a: ldfld bool ConsoleApp1.Worker::_shouldStop		IL_000f: brfalse.s IL_0004	// end loop	IL_0011: ldstr "工作线程：正在终止..."	IL_0016: call void [System.Console]System.Console::WriteLine(string)	IL_001b: ret} // end of method Worker::DoWork

从这句： ldfld bool ConsoleApp1.Worker::_shouldStop 可看出，代码并没有做任何优化，有点遗憾继续看看第二阶段。

3. 使用 windbg 查看 机器码 是否被优化

很显然机器码给大家看也看不懂，只能看被 JIT 编译成 机器代码 的 汇编代码，废话不多说，生成一个 dump 文件.

  • 用 name2ee 查看 DoWork 的方法描述符
0:011> !name2ee ConsoleApp1!Worker.DoWorkModule:  00007ffc8fdaf7e0Assembly: ConsoleApp1.dllToken:  0000000006000001MethodDesc: 00007ffc8fdd3a50Name:  ConsoleApp1.Worker.DoWork()JITTED Code Address: 00007ffc8fd17500

从 JITTED Code Address: 00007ffc8fd17500 可以看到，DoWork 已经被 JIT 编译过了，好事情。

  • 用 !U 查看 DoWork 的反汇编

对照代码图可以看到

  • ecx 寄存器 存放着 _shouldStop 值.
  • eax 寄存器 存放着 work 值

既然有两个寄存器存放着两个值，也就说明 while (!_shouldStop) -> while(true) 这个说法是站不住脚的。。。 那真相是什么呢？ 我试着揭晓。

三：我所谓的真相

1. 验证寄存器的值

很明显当前的程序正在死循环，说明_shouldStop变量此时肯定是false，为了验证是否正确，通过 r 命令查看一下此时寄存器的值。

0:011> r ecxecx=0

2. 验证内存中的 _shouldStop 的值

要想验证内存中的 _shouldStop 是否已经为 true，最简单的办法就是去 托管堆 找 Work 对象，看看它的实例变量 _shouldStop 是否为 true 即可。

0:011> !dumpheap -statStatistics:    MT Count TotalSize Class Name00007ffc8fdd3a90  1   24 ConsoleApp1.Worker0:011> !dumpheap -mt 00007ffc8fdd3a90   Address    MT  Size000001ee59f4abd8 00007ffc8fdd3a90  24  0:011> !do 000001ee59f4abd8Name:  ConsoleApp1.WorkerMethodTable: 00007ffc8fdd3a90EEClass:  00007ffc8fdccda8Size:  24(0x18) bytesFile:  E:\net5\ConsoleApp1\ConsoleApp1\bin\x64\Release\netcoreapp3.1\ConsoleApp1.dllFields:    MT Field Offset     Type VT  Attr   Value Name00007ffc8fcd71d0 4000001  8  System.Boolean 1 instance    1 _shouldStop

从最后一行代码可以看到： _shouldStop =1 , 证明内存中的 _shouldStop 确实为 true，没毛病！

3. 整体思路

到这里是不是已经非常清晰了，由于while循环太频繁了，release做了代码优化，将 _shouldStop 的值直接放在了 ecx 寄存器中， 当B线程执行 _shouldStop=true 更新到内存的时候，并没有什么通知机制，导致A线程在不知情的情况下一直读自己的 ecx 寄存器的值0，这时候就脏读了，脑子里是不是有一张蓝图？ 大概就像下面这样：

思想知道了，解决这个问题也就简单了，给 _shouldStop 打上 volatile 标记，让cpu每次都到内存中取 _shouldStop 值即可，

private volatile bool _shouldStop;

然后再看 Dowork 的反汇编：

为了更加可视化，来张对比图，很明显可以看到， volatile之前是直接取值比较，volatile之后是取偏移地址上的值比较，这就是真相吧！

四：总结

总的来说还是脏读引起的问题，刚好也补充了之前文章未寻找真相的一个遗憾吧，也感谢 精致码农大佬 原创输出。

更多高质量干货：参见我的 GitHub: dotnetfly

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一：背景1.讲故事昨天在园里的编辑头条看到精致码农大佬写的一篇题为：[C#.NET拾遗补漏]10：理解volatile关键字(https://www.cnblogs.com/willick/p/13889006.html)的文章，大概就是说在多线程环境下，一个在debug不出现，在release中出现的bug，原文代码如下：publicclassWorker{privatebool_shouldS
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