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
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2020-11-02 09:32
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.DoWork
Module: 00007ffc8fdaf7e0
Assembly: ConsoleApp1.dll
Token: 0000000006000001
MethodDesc: 00007ffc8fdd3a50
Name: 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 ecx
ecx=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 -stat
Statistics:
MT Count TotalSize Class Name
00007ffc8fdd3a90 1 24 ConsoleApp1.Worker
0:011> !dumpheap -mt 00007ffc8fdd3a90
Address MT Size
000001ee59f4abd8 00007ffc8fdd3a90 24
0:011> !do 000001ee59f4abd8
Name: ConsoleApp1.Worker
MethodTable: 00007ffc8fdd3a90
EEClass: 00007ffc8fdccda8
Size: 24(0x18) bytes
File: E:\net5\ConsoleApp1\ConsoleApp1\bin\x64\Release\netcoreapp3.1\ConsoleApp1.dll
Fields:
MT Field Offset Type VT Attr Value Name
00007ffc8fcd71d0 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。