C-Sharp Multithreading

Verstehen von `Atomaren Operationen` in C#: Sind Variablenzugriffe in Multithreading sicher?

In der Welt des Multithreadings gehört zu den größten Bedenken, mit denen Entwickler konfrontiert sind, sicherzustellen, dass gemeinsame Variablen sicher zugegriffen werden. Genauer gesagt fragen sich viele Entwickler: Ist der Zugriff auf eine Variable in C# eine atomare Operation? Diese Frage ist besonders wichtig, da ohne angemessene Synchronisation Wettlaufbedingungen auftreten können, die zu unvorhersehbarem Verhalten in Anwendungen führen.

Das Problem: Gleichzeitiger Zugriff und Wettlaufbedingungen

Wenn mehrere Threads auf eine Variable zugreifen, besteht die Gefahr, dass ein Thread diese Variable ändert, während ein anderer Thread sie liest. Dies kann zu inkonsistenten oder unerwarteten Ergebnissen führen, insbesondere wenn ein Thread während einer “Schreib”-Operation eingreift. Betrachten wir den folgenden Codeausschnitt:

public static class Membership
{
    private static bool s_Initialized = false;
    private static object s_lock = new object();
    private static MembershipProvider s_Provider;

    public static MembershipProvider Provider
    {
        get
        {
            Initialize();
            return s_Provider;
        }
    }

    private static void Initialize()
    {
        if (s_Initialized)
            return;

        lock(s_lock)
        {
            if (s_Initialized)
                return;

            // Initialisierung durchführen...
            s_Initialized = true;
        }
    }
}

Das Problem betrifft s_Initialized, das außerhalb des Locks gelesen wird. Dies führt viele zu der Frage, ob andere Threads gleichzeitig versuchen könnten, darauf zu schreiben, wodurch das Risiko von Wettlaufbedingungen entsteht.

Die Lösung: Verständnis von Atomarität in C#

Atomare Operationen definiert

Um Klarheit zu schaffen, müssen wir in das Konzept der atomaren Operationen eintauchen. Laut der Spezifikation der Common Language Infrastructure (CLI):

“Eine konforme CLI muss garantieren, dass Lese- und Schreibzugriffe auf richtig ausgerichtete Speicherorte, die nicht größer als die native Wortgröße sind, atomar sind, wenn alle Schreibzugriffe auf einen Standort die gleiche Größe haben.”

Diese Aussage bestätigt, dass:

Primitive Typen kleiner als 32 Bit (wie int, bool usw.) atomaren Zugriff haben.
Das Feld s_Initialized kann sicher ohne Lock gelesen werden, da es ein bool (ein primitiver Typ, der kleiner als 32 Bit ist) ist.

Besondere Fälle: Größere Typen

Nicht alle Datentypen werden jedoch gleich behandelt:

double und long (Int64 und UInt64): Diese Typen sind nicht garantiert atomar auf 32-Bit-Plattformen. Entwickler sollten die Methoden der Interlocked-Klasse für atomare Operationen bei diesen größeren Typen verwenden.

Wettlaufbedingungen bei arithmetischen Operationen

Während Lese- und Schreiboperationen für primitive Typen atomar sind, besteht ein Risiko von Wettlaufbedingungen während Operationen, die den Zustand einer Variablen ändern, wie z.B. Addition, Subtraktion oder Inkrementierung. Das liegt daran, dass diese Operationen folgendes erfordern:

Die Variable lesen.
Die arithmetische Operation durchführen.
Den neuen Wert zurückschreiben.

Um Wettlaufbedingungen während dieser Operationen zu vermeiden, können Sie die Methoden der Interlocked-Klasse verwenden. Hier sind zwei wichtige Methoden, die zu berücksichtigen sind:

Interlocked.CompareExchange: Hilft beim sicheren Aktualisieren eines Wertes, wenn er einem bestimmten Wert entspricht.
Interlocked.Increment: Erhöht eine Variable sicher.

Lock-Mechanismen sinnvoll verwenden

Locks, wie lock(s_lock), schaffen eine Speicherbarriere, die sicherstellt, dass alle Operationen innerhalb des Blocks abgeschlossen sind, bevor andere Threads fortfahren können. In diesem speziellen Beispiel ist das Lock der wesentliche Synchronmechanismus, der benötigt wird.

Fazit

Der Zugriff auf eine Variable in C# kann tatsächlich atomar sein, aber der Kontext ist von großer Bedeutung. Hier ist eine kurze Zusammenfassung:

Primitive Typen kleiner als 32 Bit: Atomarer Zugriff ist garantiert.
Größere Typen (z.B. double, long): Verwenden Sie die Interlocked-Methoden für atomare Operationen.
Arithmetische Operationen auf Variablen: Verwenden Sie Interlocked-Methoden, um Wettlaufbedingungen zu vermeiden.
Locks: Essentiell zum Schutz kritischer Codeabschnitte, in denen mehrere Threads gemeinsame Ressourcen ändern könnten.

Durch das Verständnis dieser Prinzipien können Sie sicherere multithreaded C#-Anwendungen schreiben, die die Fallstricke des gleichzeitigen Zugriffs vermeiden. Mit sorgfältiger Überlegung zu atomaren Operationen und Synchronisationstechniken können Sie Konsistenz und Zuverlässigkeit in Ihrem Code gewährleisten.

Verstehen von Atomaren Operationen in C#: Sind Variablenzugriffe in Multithreading sicher?