C#执行顺序潜在问题 关于C#执行顺序带来的一些潜在问题

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。

总结