從單例模式看C#的volatile關鍵字

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目錄

1. Singleton樣本

2. volatile解決問題1：CPU緩衝

3. volatile解決問題2：編譯器最佳化（指令亂序）

一. 標準的單例模式樣本```csharppublic sealed class Singleton{ // 靜態執行個體 private static volatile Singleton instance = null; // Lock對象，安全執行緒所用 private static object syncRoot = new Object();

private Singleton() { }public static Singleton Instance{    get    {        if (instance == null)                            //一次比較        {            lock (syncRoot)            {                if (instance == null)                    //二次比較                    instance = new Singleton();            }        }        return instance;    }}

}

```

注意靜態樣本自動前的修飾符: volatile，為什麼必須指定volatile, 如果不使用該關鍵字，會有什麼後果呢。

volatile【易變的】，查msdn： volatile 關鍵字指示一個欄位可以由多同時執行的線程修改。 聲明為 volatile 的欄位不受編譯器最佳化（假定由單個線程訪問）的限制。 這樣可以確保該欄位在任何時間呈現的都是最新的值。

那在底層到底發生了什麼，難道不使用volatile，指令執行時，欄位的值還不是新的嗎，這得從電腦架構及編譯器最佳化兩個方面說起。

二. CPU緩衝問題

採用volatile關鍵字，每次讀欄位值時，都必須從記憶體中擷取，也就是說，對該欄位禁用CPU緩衝。

由於現代的CPU都存在多個核心，每個核心有獨立的內部緩衝，而對象欄位最初是儲存在記憶體中的，執行指令前，會首先檢查緩衝中是否存在該欄位，如果沒有，從記憶體中讀取資料到CPU緩衝，進行運算, 如果緩衝存在，則無需訪問記憶體，直接使用緩衝的資料。

針對單例模式樣本，兩個線程分別在兩個CPU核心運行，兩個核心同時運行到上面語句“第一次比較”，instance欄位都儲存在各個CPU的內部緩衝中，通過lock關鍵字，兩個線程會串列執行lock語句塊。

比如核心A已經運行完成lock語句塊，記憶體中的instance已經更新，此時核心B繼續運行，由於核心B已經緩衝了instance樣本，在二次比較時，還是認為instance欄位為空白，這樣就導致 new Singleton()執行了兩次。

三. 編譯器最佳化問題

採用volatile關鍵字， 可以避免指令重新排序（instruction reordering), 例如，考慮如下一個迴圈：```csharpwhile(true){ if(myField) { //do something }}

```

如果myField欄位沒有指定volatile, 在JIT編譯時間，出於效能最佳化考慮，編譯器會以如下方式重新排序指令：```csharp

if(myField){ while(true) { //do something }}

```

這種情況下，如果你在另一個線程中修改欄位myFiled, 運行結果將完成不同。通常情況下，推薦使用lock語句（Monitor.Enter /Monitor.Exit），但如果你在這個語句塊內僅僅修改了一個欄位，volatile將有更好的效能表現。