C/C++编程语言中volatile关键字介绍

水深无声 2022-03-29 09:37 323阅读 0赞

本文主要介绍 C/C++ 编程语言中 volatile 关键字的相关知识。

# 1 概述 #

## 1.1 Why volatile ##

volatile 关键字，最早出现于 19 世纪 70 年代，被用于处理 MMIO(Memory-mapped I/O) 带来的问题。

在引入 MMIO 之后，一块内存地址既有可能是真正的内存，也有可能是映射的一个 I/O 端口。因此，读/写一个内存地址，既有可能是真正地操作内存，也有可能是读/写一个 I/O 设备。

那么 MMIO 为什么需要引入 volatile 关键字呢？我们结合下面这段示例代码进行解释：

unsigned int *p = FunB();
        unsigned int a;
        unsigned int b;
    
        a = *p;     // 语句1
        b = *p;     // 语句2
    
        *p = a;     // 语句3
        *p = b;     // 语句4

在上述代码片段中，指针 p 既有可能指向一个**内存地址**，也有可能指向一个 **I/O 设备**。如果指针 p 指向的是 I/O 设备，那么语句 1 和语句 2 中的变量 a 和变量 b，就会接收到 I/O 设备的连续两个字节。但是，指针 p 也有可能指向内存地址，这种情况下，编译器就会进行语句优化，编译器的优化策略会判断变量 a 和变量 b 同时从同一个内存地址读取数据，因此在执行完语句 1 之后，直接将变量 a 赋值给变量 b。对于指针 p 指向 I/O 设备的这种情况，就需要**防止编译器进行此优化**，即**不能假设指针 b 指向的内容不变**（对应 volatile 关键字的**易变性**特性）。

同样，语句 3 和语句 4 也有类似的问题，编译器发现将变量 a 和 b 同时赋值给指针 p 是无意义的，因此可能会优化语句 3 中的赋值操作，而仅仅保留语句 4。对于指针 p 指向I/O设备的情况，也需要防止编译器将类似的写操作给优化消失了（对应 volatile 关键字的**不可优化**特性）。

对于 I/O 设备，编译器不能随意交互指令的顺序，因为指令顺序一变，写入 I/O 设备的内容也就发生变化了（对应 volatile 关键字的**顺序性**特性）。

为了满足 MMIO 的这三点需求，就有了 volatile 关键字。

## 1.2 IN C/C++ ##

在 C/C++ 编程语言中，使用 volatile 关键字声明的变量（或对象）通常具有与优化、多线程相关的特殊属性。通常，volatile 关键字用来**阻止**（伪）编译器对其认为的、无法“被代码本身”改变的代码（变量或对象）进行优化。如在 C/C++ 编程语言中，volatile 关键字可以用来提醒编译器使用 volatile 声明的变量**随时有可能改变**，因此编译器在代码编译时就不会对该变量进行某些激进的优化，故而编译生成的程序在每次存储或读取该变量时，都会**直接从内存地址**中读取数据。相反，如果该变量没有使用 volatile 关键字进行声明，则编译器可能会优化读取和存储操作，可能暂时使用**寄存器**中该变量的值，而如果这个变量由别的程序（线程）更新了的话，就会出现（内存中与寄存器中的）变量值不一致的现象。

在 C/C++ 编程语言中，使用 volatile 关键字声明的变量具有三种特性：**易变的**、**不可优化的**、**顺序执行的**。下面分别对这三种特性进行介绍。

# 2 易变的 #

volatile 在词典中的主要释义就是“易变的”。

在 C/C++ 编程语言中，volatile 的易变性体现在：假设有读、写两条语句，依次对同一个 volatile 变量进行操作，那么后一条的读操作不会直接使用前一条的写操作对应的 volatile 变量的寄存器内容，而是重新从内存中读取该 volatile 变量的值。

上述描述的（部分）示例代码内容如下：

volatile int nNum = 0;  // 将nNum声明为volatile
        int nSum = 0;
    
        nNum = FunA();      // nNum被写入的新内容，其值会缓存在寄存器中
    
        nSum = nNum + 1;    // 此处会从内存（而非寄存器）中读取nNum的值

# 3 不可优化的 #

在 C/C++ 编程语言中，volatile 的第二个特性是“不可优化性”。volatile 会告诉编译器，不要对 volatile 声明的变量进行各种激进的优化（甚至将变量直接消除），从而保证程序员写在代码中的指令一定会被执行。

上述描述的（部分）示例代码内容如下：

volatile int nNum;  // 将nNum声明为volatile
        nNum = 1;
    
        printf("nNum is: %d", nNum);

在上述代码中，如果变量 nNum 没有声明为 volatile 类型，则编译器在编译过程中就会对其进行优化，直接使用常量“1”进行替换（这样优化之后，生成的汇编代码很简介，执行时效率很高）。而当使用 volatile 进行声明后，编译器则不会对其进行优化，nNum 变量仍旧存在，编译器会将该变量从内存中取出，放入寄存器之中，然后再调用 printf() 函数进行打印。

# 4 顺序执行的 #

在 C/C++ 编程语言中，volatile 的第三个特性是“顺序执行特性”，即能够保证 volatile 变量间的顺序性不会被编译器进行乱序优化。

C/C++ 编译器**最基本优化原理**：保证一段程序的输出，在优化前后无变化。

为了对本特性进行深入了解，下面以两个变量（nNum1 和 nNum2）为例（既然存在“顺序执行”，那描述对象必然大于一个），介绍 volatile 的顺序执行特性，示例代码内容如下：

int nNum1;
        int nNum2;
    
        nNum2 = nNum1 + 1;    // 语句1
        nNum1 = 10;           // 语句2

在上述代码中：

*  当 nNum1 和 nNum2 都没有使用 volatile 关键字进行修饰时，编译器**会对**“语句1”和“语句2”的执行顺序进行优化：即先执行“语句2”、再执行“语句1”；
 *  当 nNum2 使用 volatile 关键字进行修饰时，编译器**也可能会对**“语句1”和“语句2”的执行顺序进行优化：即先执行“语句2”、再执行“语句1”；
 *  当 nNum1 和 nNum2 都使用 volatile 关键字进行修饰时，编译器**不会对**“语句1”和“语句2”的执行顺序进行优化：即先执行“语句1”、再执行“语句2”；

说明：上述论述可通过观察代码的生成的汇编代码进行验证。

# 5 volatile与多线程语义 #

对于多线程编程而言，在临界区内部，可以通过互斥锁（mutex）保证只有一个线程可以访问该临界区的内容，因此临界区内的变量不需要是 volatile 的；而在临界区外部，被多个线程访问的变量应声明为 volatile 的，这也符合了 volatile 的原意：**防止编译器缓存（cache）被多个线程并发用到的变量。**

不过，需要注意的是，由于 volatile 关键字的“顺序执行特性”**并非会完全保证语句的顺序执行**（如 volatile 变量与非 volatile 变量之间的操作；又如一些 CPU 也会对语句的执行顺序进行优化），因此导致了对 volatile 变量的操作并不是原子的，也**不能用来为线程建立严格的 happens-before 关系。**

对于上述描述，示例代码内容如下：

int nNum1 = 0;
    volatile bool flag = false;
    
    thread1()
    {
        // some code
    
        nNum1 = 666;  // 语句1
    
        flag = true;  // 语句2
    }
    
    thread2()
    {
        // some code
    
        if (true == flag)
        {
            // 语句3：按照程序设计的预想，此处的nNum1的值应为666，并据此进行逻辑设计
        }
    }

在上述代码中，我们的设计思路是先执行 thread1() 中的“语句1”、“语句2”、再执行 thread2() 中的“语句3”，不过实际上程序的执行结果未必如此。根据前面介绍的 volatile 的“**并非会完全保证语句的顺序执行**”特性，非 volatile 变量 nNum1 和 volatile 变量 flag 的执行顺序，可能会被编译器（或 CPU）进行乱序优化，最终导致 thread1() 中的“语句2”先于“语句1”执行，当“语句2”执行完成但“语句1”尚未执行时，此时 thread2() 中的判断语句“if (true == flag)”是成立的，但实际上 nNum1 尚未进行赋值操作（语句 1 尚未执行），所以在判断语句中针对“nNum1 == 666”的前提下进行的逻辑设计，就会有问题了。

这是一个在多线程编程中，使用 volatile 不容易发现的问题。

实际上，上述多线程代码想实现的就是一个 **happens-before** 语义，即保证 thread1() 代码块中的所有代码一定要在 thread2() 代码块的第一条代码之前完成。使用**互斥锁（mutex）**可以保证 happens-before 语义。但是，在 C/C++ 编程语言中的 volatile 关键字不能保证这个语义，也就意味着在多线程环境下使用 C/C++ 编程语言的 volatile 关键字，如果不够细心，就可能会出现上述问题。所以，使用 C/C++ 编程语言进行多线程编程时，要慎用 volatile 关键字。

说明：由于 Java 编程语言的 volatile 关键字支持 Acquire、Release 语义，因此 Java 语言的 volatile 关键字是能够用来构建 happens-before 语义的。也就是说，前面提到的 C/C++ 编程语言 volatile  关键字在多线程编程中出现的问题，在 Java 编程语言中是不存在的。