C＃如何保证读/写操作的原子性？

Question

C＃规范在第5.5节中说明了对某些类型的读写（即bool，char，byte，sbyte，short，{ {1}}，ushort，uint，int和引用类型）保证是原子的。

这激起了我的兴趣。你怎么能这样做？我的意思是，如果我希望读取和写入看起来是原子的，那么我个人的低级体验只会让我锁定变量或使用障碍;如果必须为每一次读/写操作完成，那将是一个性能杀手。然而，C＃做了类似的事情。

也许其他语言（如Java）可以做到这一点。我真的不知道。我的问题并不是真正针对特定语言，而是我知道C＃就是这样做的。

我知道它可能必须处理某些特定的处理器指令，并且可能无法在C / C ++中使用。但是，我仍然想知道它是如何工作的。

[编辑]说实话，我相信在某些条件下读写可能是非原子的，就像CPU可以访问内存位置而另一个CPU在那里写。这是否仅在CPU无法一次处理所有对象时发生，例如因为它太大或者内存未在正确的边界上对齐？

Answer 1

这些类型保证原子性的原因是因为它们都是32位或更小。由于.NET仅在32位和64位操作系统上运行，因此处理器体系结构可以在单个操作中读取和写入整个值。这与32位平台上的Int64形成对比，后者必须使用两个32位操作进行读写。

我不是一个硬件家伙所以我道歉，如果我的术语让我听起来像一个小丑，但这是基本的想法。

Answer 2

在x86和x64内核上实现原子性保证相当便宜，因为CLR只承诺32位或更小的变量的原子性。所需要的只是变量正确对齐并且不跨越高速缓存行。 JIT编译器通过在4字节对齐的堆栈偏移上分配局部变量来确保这一点。 GC堆管理器对堆分配执行相同的操作。

值得注意的是CLR保证不是很好。对齐承诺不足以编写对双精度数组一致的代码。在this thread中很好地证明了这一点。因此，与使用SIMD指令的机器代码互操作也非常困难。

Answer 3

在x86上，读取和写入都是原子的。它在硬件级别受支持。然而，这并不意味着加法和乘法等操作是原子的;他们需要加载，计算，然后存储，这意味着他们可以干涉。这就是锁定前缀的来源。

你提到了锁定和记忆障碍;它们与读取和写入是原子的没有任何关系。在使用或不使用内存屏障的x86上，你将看不到半写的32位值。

Answer 4

是的，C＃和Java保证一些原始类型的加载和存储是原子的，就像你说的那样。这很便宜，因为能够运行.NET或JVM的处理器确保适当对齐的基元类型的加载和存储是原子的。

现在，无论是C＃还是Java，还是它们运行的​​处理器，以及哪些都很昂贵，都会发出内存障碍，以便这些变量可以用于多线程程序中的同步。但是，在Java和C＃中，您可以使用“volatile”属性标记变量，在这种情况下，编译器会负责发出适当的内存障碍。

Answer 5

你做不到。即使一直到汇编语言，你必须使用特殊的LOCK操作码，以保证不会出现另一个核心甚至进程，并消除你所有的辛勤工作。