Если я заполню словарь и присвою его полю, могу ли я гарантировать, что поле не будет содержать наполовину заполненный словарь?

Содержание

Вопрос или проблема
Ответ или решение
Основные аспекты
Решение проблемы с использованием volatile
Альтернативные подходы
Заключение

Вопрос или проблема

В приведенном ниже коде я заполняю содержимое словаря затем присваиваю его переменной Data. Таким образом, я предполагаю, что Data будет содержать либо null, либо Dictionary с двумя элементами внутри.

Но является ли это действительным ожиданием?

Я знаю, что операции записи могут быть перемещены. И простое решение, вероятно, заключалось бы в добавлении volatile к Data. Но это действительно необходимо? Или оригинальный код гарантированно “безопасен” (безопасен в том смысле, что я могу быть на 100% уверенным, что Data никогда не будет содержать словарь, в котором меньше 2 элементов).

using System;
using System.Collections.Generic;

public class Program
{
    public static Dictionary<int, int> Data = null;

    public static void Main()
    {
        var bob = new Dictionary<int, int>();
        bob.Add(1, 1);
        bob.Add(2, 2);

        Data = bob;

        // Обратите внимание, что после этого не будет дальнейшей модификации `bob` или `Data`.

        // Представьте, что есть отдельный поток, читающий содержимое `Data`
    }
}

Я даже не уверен в предложении volatile в свете мудрости Скита и Липперта (“Честно говоря, я не советую вам когда-либо делать поле volatile.”).

Я знаю, что операции записи могут быть перемещены. И простое решение, вероятно, заключалось бы в добавлении volatile к Data. Но это действительно необходимо?

Да, это определенно необходимо. Без volatile компилятор/Jitter/процессор могут переместить инструкции программы так, что Data на короткий период времени может указывать на частично инициализированный объект Dictionary<K,V>. Поведение частично инициализированного объекта не определено. Он может содержать менее 2 элементов, может вызывать исключения и так далее. Или он может работать корректно, потому что фактически никакого перемещения не произошло. Если вы хотите взять на себя ответственность и не оставлять ничего на удачу, вам определенно следует объявить Data как volatile, чтобы предотвратить любую возможность перемещения.

Ответ или решение

Вопрос, который вы подняли, касается некоторых важных аспектов многопоточности и управления памятью в C#. Давайте рассмотрим, как ваше ожидание о том, что поле Data будет либо null, либо полностью инициализированным словарем с двумя элементами, соотносится с реальностью.

Основные аспекты

Порядок выполнения операций: Ваша основная проблема заключается в том, что компилятор, JIT, и процессор могут выполнять переупорядочение инструкций. Это может привести к тому, что операции:
- инициализация словаря (bob),
- добавление элементов в него,
- присваивание словаря полю Data,
могут быть выполнены не в том порядке, который вы ожидаете. Например, другой поток может получить доступ к Data после присваивания, но до завершения добавления элементов.
Потенциал частичной инициализации: Без применения модификатора volatile или других методов синхронизации, Data может временно ссылаться на неполностью инициализированный объект словаря. Это приведет к неопределенному поведению, как вы правильно отметили. В зависимости от состояния памяти и порядка выполнения потоков, Data может вернуться к своему изначальному значению (null) или ссылаться на словарь, который имеет меньше, чем 2 элемента, что не соответствует вашим ожиданиям.

Решение проблемы с использованием `volatile`

Для обеспечения безопасного доступа к полю Data из разных потоков, вам нужно использовать модификатор volatile. Использование volatile гарантирует, что все операции записи и чтения данного поля будут выполнять в соответствии с ожидаемым порядком, предотвращая переупорядочивание. В вашем случае, это предотвратит случай, когда другой поток попытается прочитать Data до завершения инициализации объекта словаря.

public class Program
{
    public static volatile Dictionary<int, int> Data = null;

    public static void Main()
    {
        var bob = new Dictionary<int, int>();
        bob.Add(1, 1);
        bob.Add(2, 2);

        Data = bob; // Теперь это безопасно
    }
}

Альтернативные подходы

Хотя volatile является одним из способов решения вашей проблемы, есть и другие подходы, которые могут быть более предпочтительными в некоторых случаях:

Использование блокировок (lock): Это более безопасный способ управления доступом к общим данным из различных потоков. Он гарантирует, что только один поток сможет выполнять код внутри блока lock в любой момент времени.
Конструктор инициализации: Вместо того чтобы инициализировать Data в методе Main, вы можете создать отдельный метод для инициализации и вызывать его с блокировкой.

Заключение

Ваше первоначальное ожидание о том, что поле Data будет либо null, либо полностью инициализированным словарем, не является абсолютно гарантированным без дополнительных мер предосторожности. Для достижения полной уверенности и безопасного многопоточного доступа, использование ключевого слова volatile или других механизмов синхронизации является необходимостью. Это обеспечит целостность данных и предсказуемость поведения вашей программы в контексте многопоточности.