C# 为什么写入24位结构不是原子结构（当写入32位结构似乎是原子结构时）？

毫无疑问，我是个修补匠。出于这个原因（除此之外几乎没有其他原因），我最近做了一个小实验，以证实我的怀疑，即向

结构

写入不是一个原子操作，这意味着试图强制执行某些约束的所谓“不可变”值类型可能在其目标上失败

我使用以下类型作为说明：

struct SolidStruct
{
    public SolidStruct(int value)
    {
        X = Y = Z = value;
    }

    public readonly int X;
    public readonly int Y;
    public readonly int Z;
}

虽然上述情况看起来像是一种类型，但

X！=Y

或

Y！=Z

，事实上，如果一个值是“中间赋值”，同时它被一个单独的线程复制到另一个位置，就会发生这种情况

好吧，没什么大不了的。一种好奇心和更多。但后来我有了这样的预感：我的64位CPU实际上应该能够以原子方式复制64位，对吗？那么，如果我摆脱了

Z

而只坚持

X

和

Y

，会怎么样呢？只有64位；应该可以在一个步骤中覆盖这些内容

果然奏效了。（我意识到你们中的一些人现在可能眉头紧锁，在想，是的，duh。这有什么意思？幽默我。）当然，我不知道这是否是我的系统所保证的。我对寄存器、缓存未命中等几乎一无所知（我实际上只是在重复我听到的术语，而不理解它们的含义）；因此，目前这对我来说都是一个黑匣子

我再次尝试的下一件事是一个由32位组成的结构，使用2

short

字段。这似乎也表现出“原子可分配性”。但后来我尝试了一个24位的结构，使用了3个

字节

字段：禁止

突然间，结构似乎再次受到“中间分配”副本的影响

减少到16位，包含2个字节：再次使用原子

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有人能解释一下为什么会这样吗？我听说过“位打包”、“缓存线跨接”、“对齐”等——但我也不知道这一切意味着什么，也不知道这是否与此相关。但我觉得我看到了一种模式，却无法确切说出它是什么；非常感谢清楚。x86 CPU操作以8、16、32或64位进行；操作其他大小需要多次操作。

您要查找的模式是CPU的本机字大小

从历史上看，x86系列本机使用16位值（在此之前是8位值）。因此，您的CPU可以原子化地处理这些值：设置这些值只需一条指令

随着时间的推移，本机元素大小增加到32位，然后增加到64位。在每种情况下，都会添加一条指令来处理这一特定数量的位。但是，为了向后兼容，旧指令仍然保留，因此您的64位处理器可以使用以前所有的本机大小

由于struct元素存储在连续内存中（没有填充，即空空间），因此运行时可以利用这一知识仅对这些大小的元素执行单个指令。简单地说，这产生了您所看到的效果，因为CPU一次只能执行一条指令（尽管我不确定在多核系统上是否能保证真正的原子性）

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但是，本机元素的大小从来不是24位。因此，没有一条指令可以写入24位，因此需要多条指令，这样就失去了原子性。

编译器和x86 CPU将小心地只移动结构定义的字节数。没有可以在一次操作中移动24位的x86指令，但是对于8、16、32和64位数据，有单指令移动

如果将另一个字节字段添加到24位结构（使其成为32位结构），您应该会看到原子性返回

某些编译器允许您在结构上定义填充，使其行为类似于本机寄存器大小的数据。如果填充24位结构，编译器将添加另一个字节，将大小“四舍五入”为32位，这样整个结构可以在一条原子指令中移动。缺点是你的结构总是会占用30%以上的内存空间

请注意，内存中结构的对齐对原子性也至关重要。如果一个多字节结构不是从一个对齐的地址开始的，它可能会跨越CPU缓存中的多个缓存线。读取或写入此数据将需要多个时钟周期和多次读取/写入，即使操作码是单个移动指令。因此，如果数据未对齐，即使是单个指令移动也可能不是原子的。x86确实保证了对齐边界上本机大小的读/写操作的原子性，即使在多核系统中也是如此

使用x86锁前缀可以通过多步移动实现内存原子性。但是，应避免这种情况，因为在多核系统中这种情况非常昂贵（锁不仅会阻止其他内核访问内存，还会在操作期间锁定系统总线，这可能会影响磁盘I/O和视频操作。锁还可能迫使其他内核清除其本地缓存）

C#标准（，）关于原子性有这样的说法： 12.5变量引用的原子性 以下数据类型的读写应为原子型：bool、char、byte、sbyte、short、ushort、， uint、int、float和引用类型。此外，还可以读取和写入具有基础类型的枚举类型 在前面的列表中也应是原子的其他类型的读写，包括long、ulong、double、， 和decimal，以及用户定义的类型，不需要是原子的。（emphasis mine）除了设计的库函数之外 为此，不保证原子读-修改-写，例如在增量或 减量，哟