多线程CAS计数器中非volatile long变量的取值正确性问题及解决方案咨询

这个问题抓得非常准，确实存在潜在风险，咱们来一步步分析清楚：

为什么v0 = _v可能出问题？ #

这里有两个核心隐患：

• 32位系统上的原子性问题：long是64位数据类型，在32位CLR环境中，读取long值需要分两次32位操作完成。如果其他线程在这两次操作之间修改了_v，就会导致v0读到一个“撕裂”的数值——高32位是旧值，低32位是新值，完全不符合预期。
• 可见性与编译器优化问题：即使是64位系统，因为_v无法被标记为volatile（C#的volatile关键字确实不支持long/ulong类型），编译器、JIT或者CPU可能会做这些优化：
  1. 将_v的读取缓存到寄存器中，导致线程重复使用旧值，看不到其他线程更新后的最新值；
  2. 对指令进行重排，把v0 = _v的操作移到循环外部，直接导致CAS循环一直用同一个旧值重试，永远无法退出。

怎么解决这个问题？ #

我们需要保证每次读取_v时，既能拿到主内存中的最新值，又能在32位系统上保证原子性。有两种可靠的方案：

方案1：使用Volatile.Read<T> #

Volatile.Read是通用的内存屏障工具，支持包括long在内的所有值类型，它会插入必要的内存屏障，禁止编译器优化读取操作，同时在32位系统上通过内部机制保证64位值的原子读取。

修改后的代码如下：

sealed class Counter { 
    private long _v = long.MinValue; 
    public bool GetNextNumber(out ulong output) { 
        long v0, v1; 
        ulong max = ulong.MaxValue - (ulong)1; 
        output = 0; 
        do { 
            v0 = Volatile.Read(ref _v); // 替换直接读取为Volatile.Read
            if (unchecked((ulong)v0 > max)) return false; 
            v1 = v0 + 1; 
        } while (v0 != Interlocked.CompareExchange(ref _v, v1, v0)); 
        output = unchecked((ulong)v0); 
        return true; 
    } 
}

方案2：使用Interlocked.Read #

如果只针对long类型，Interlocked.Read是更专用的选择，它的作用和Volatile.Read一致，专门用于long的原子读取和可见性保证，用法也很简单：

v0 = Interlocked.Read(ref _v);

补充说明 #

可能你会疑惑：Interlocked.CompareExchange本身不是带有内存屏障吗？为什么还需要额外处理读取？
没错，CAS操作确实会产生全内存屏障，但这个屏障只保证CAS操作前后的内存同步——也就是说，只有在CAS执行之后，线程的缓存才会刷新。但第一次读取_v的时候，还没有执行CAS，这时候还是可能读到缓存里的旧值，或者撕裂值。所以必须在读取_v的时候就加上内存屏障，确保每次读取都是可靠的。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者shingo