深入理解volatile关键字和Thread.VolatileRead/Write方法

在多线程编程中，确保数据的一致性和可见性是至关重要的。.NET提供了多种同步机制来帮助开发者管理线程间的交互，其中volatile关键字和Thread.VolatileRead/Write方法就是用于此目的的工具之一。本文将深入探讨这些工具的使用场景、实现原理以及性能考量。

volatile关键字的使用

volatile关键字在C#中用于修饰字段，确保对该字段的读写操作不会被编译器优化，从而保证在多线程环境下的可见性和有序性。然而，并非所有情况都需要使用volatile关键字。如果已经有了适当的同步机制，如锁（lock），那么使用volatile关键字可能是多余的。

当使用volatile关键字时，需要明白以下几点：

• 标记为volatile的字段，其所有的读写操作都将是volatile的，即使在锁（lock）内部访问也是如此。
• 如果不将字段标记为volatile，而是使用Thread.VolatileRead()或Thread.VolatileWrite()方法，那么在只需要半屏障（half fence）的情况下，将会执行全屏障（full fence）。

理解缺失的信息

在深入理解volatile关键字之前，需要明确它的作用：volatile关键字确保了字段的读写操作都使用半屏障，即读操作使用获取（acquire）屏障，写操作使用释放（release）屏障，而Thread.VolatileRead()和Thread.VolatileWrite()总是使用全屏障。

长期以来，人们认为.NET中的volatile修饰符仅仅是在IL（中间语言）层面上标记字段为volatile，使得所有的读写操作都是普通的IL读写操作，跨越volatile字段。但实际上，C#不允许指明哪个操作是volatile的，因此volatile成为了一个全有或全无的修饰符。在IL层面，可以为ldfld和stfld等指令添加volatile修饰符，这样的volatile修饰符只会应用正确的半屏障，而不是全屏障。

第一次测试：动态方法

在第一次测试中，作者尝试使用DynamicMethod来实现带有volatile前缀的操作。通过生成委托，作者比较了非volatile和volatile委托的性能差异。尽管初步测试结果看似有效，但由于虚拟调用委托导致半屏障代码比全屏障代码慢，作者最终放弃了这个想法。

第二次测试：IL + C#

.NET的一个优点是可以使用一种语言编写库，然后通过另一种语言访问。作者尝试通过IL创建一个类库，然后使用C#访问它。通过ildasm工具获取IL代码，并对其进行修改，添加了volatile前缀。通过这种方式，作者成功实现了与volatile关键字相同的性能。

作者创建了一个包含所有VolatileRead()和VolatileWrite()重载的类，以支持所有需要的类型。然后，通过编译代码、执行ildasm来转储库代码、调整maxstacksize并添加volatile前缀，最终编译了库。

.NET 4.5中的Volatile类

作者发现，在.NET 4.5中引入了一个Volatile类，它提供了与作者自定义实现相同的功能。尽管如此，作者的实现对于.NET 4.0环境仍然有用，并且作为一个有趣的话题，即使在不需要的情况下也值得探讨。