C#執行順序與語句編寫順序不符的案例分析

這篇文章給大家分享的是有關C#執行順序與語句編寫順序不符的案例分析的內容。小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考。一起跟隨小編過來看看吧。

前言

編寫程序的時候，人們的直觀感覺通常認為，程序的執行順序是按照語句的順序進行的。然而，許多編程語言的規范是允許實際執行順序與語句編寫順序不符的。實際上，編譯器為了完成某種優化，常常會對一些操作進行適當的順序調整，導致一些預料之外的現象。

實驗現象

首先，通過一個例子來展示這個現象。在一個C# .NET Core 3.1命令行程序中，定義兩個全局變量a和b，在線程1中，依次對b和a進行遞增。這樣，在任何時刻b應當等于a或a+1。

    static int a = 0;
    static int b = 0;

    static void Thread1()
    {
      while (true)
      {
        ++b;
        ++a;
      }
    }

在線程2中，先讀取a的值，然后執行一些其他操作，再讀取b的值。如果語句一定是按順序執行的，那么讀取到的b的值應當比讀取到的a的值更新，從而b必然大于或等于a（除非b發生了溢出）。編寫程序，當b < a時輸出它們的值。

  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}");
      }
    }
  }

再編寫主程序，啟動上述的兩個線程。

    static void Main(string[] args)
    {
      Task.Run(Thread1);
      Task.Run(Thread2);

      Console.ReadKey();
    }

使用Debug配置，編譯并運行該程序，命令行是沒有輸出的，符合我們的預期。但是使用Release配置的話，就會出現大量輸出，其中a的值比b大1到5不等。

查看反匯編可以看到，在第1個c += b語句處，程序將b的值放到了寄存器中，而后面的語句均使用了該寄存器內存放的值。所以，編譯器實際上將對b的讀取操作合并并且前置了。以下為反匯編結果片段。

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 

理論分析

在C#語言標準的Basic concepts一章Execution order一節（參見：Basic concepts – C# language specification）中，提到了C#的執行順序規范。C#程序的副作用在以下關鍵點處的順序是被保留的：

• 對volatile字段的讀寫
• lock語句
• 線程的創建和終結
   

C#程序的執行順序在滿足以下條件的情況下，可以由執行環境任意調整的：

• 在同一線程內，數據的的依賴關系是被保留的。即，結果與語句按照順序執行的情況一致。
• 初始化順序的規則是被保留的。
• 相對于volatile字段的讀寫，副作用的順序是被保留的。
   

而上述的副作用包括：

• 讀取或寫入volatile字段
• 寫入非volatile變量
• 寫入外部資源
• 拋出異常
   

由此可以推出，C#程序中對非volatile變量的讀取順序可能會被調整。在只有一個線程對該變量進行操作時，這個順序的調整是保證不會影響結果的；但如果同時有其他的線程正在對變量進行修改，則讀取的順序是無法確定的。

因此，如果有多個線程同時訪問的，對值的實時性有要求的變量，應當設置為volatile變量。將上述實驗中的靜態變量a和b改為volatile變量后，即使是Release配置下，也不會出現命令行的輸出，即兩個變量的讀取順序符合原始的語句順序。

結論

在C#程序中，讀取非volatile變量的順序可能被執行環境任意調整。如果某個變量在被讀取的時候會被其他線程寫入，為了該讀取結果的實時性，應當將該變量設置為volatile變量。

感謝各位的閱讀！關于C#執行順序與語句編寫順序不符的案例分析就分享到這里了，希望以上內容可以對大家有一定的幫助，讓大家可以學到更多知識。如果覺得文章不錯，可以把它分享出去讓更多的人看到吧！