本文轉(zhuǎn)自徐飛翔的“一文理解C語言中的volatile修飾符”
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前言
volatile修飾符是在嵌入式開發(fā)和多線程并發(fā)編程中常見的修飾符，理解其對于實踐過程非常有幫助，此文參考了[1]，并且附上了筆者的一些例子，希望對大家有所幫助。
volatile修飾符用于C語言和C++中，其意在阻止編譯器對其修飾對象進(jìn)行任何形式的優(yōu)化，有時候，這種編譯器“自作主張”的優(yōu)化會導(dǎo)致編程者意想不到的結(jié)果，因此需要引入這個關(guān)鍵字進(jìn)行限制。
當(dāng)一個對象可能會被當(dāng)前代碼以外的環(huán)境，在任何時刻被改變的時候，一個對象如果此時被聲明為了volatile，那么其就可以脫離編譯器的優(yōu)化過程。當(dāng)需要讀取該數(shù)據(jù)的時候，系統(tǒng)總是會重新從內(nèi)存位置中讀取當(dāng)前的volatile類型的數(shù)據(jù)，而不是直接取其在寄存器中的值，我們要知道，為了執(zhí)行效率，即便是你指定了要從之前的同一個對象中取值，編譯器在優(yōu)化過程中也很可能會不直接從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，而是直接采用寄存器中的值（我們將會從后續(xù)的例子中看到這個情況。），這個行為在一般情況下的確能夠提高程序的執(zhí)行速率，畢竟數(shù)據(jù)從寄存器中讀取，要比從內(nèi)存中讀取快上好幾個數(shù)量級。比如我們見一個簡單例子：
// sample.c
int main(){
int i = 10;
i = i;
return 0;
}在linux下用命令gcc -S sample.c編譯，我們得到了其匯編結(jié)果，我截取了其主體，如：
movl $10, -4(%rbp)而在sample.c的變量聲明中如果加上volatile修飾符，那么程序變成：
// sample.c
int main(){
volatile int i = 10;
i = i;
return 0;
}匯編后的結(jié)果為：
movl $10, -4(%rbp)
movl -4(%rbp), %eax
movl %eax, -4(%rbp)我們對比這兩次的匯編結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)，第一次沒有聲明其為易變的時候，編譯器分析了代碼的變量的關(guān)系，并且進(jìn)行了優(yōu)化，編譯器認(rèn)為，我的變量i既然在下一步還需要賦值給自己，那么何必在重新從內(nèi)存中讀取i的值呢，因此，從匯編來看，i = i這條c語言代碼其實是無效的。 在一般的編譯器優(yōu)化中，因為編譯器可能會認(rèn)為變量i是非易變的，如果其變化了，只能是因為程序員對其進(jìn)行了顯式的賦值改變，因此在需要再次讀取變量i的值的時候，與其重新從內(nèi)存中讀取，不如直接利用其已經(jīng)讀入到寄存器中的值，畢竟寄存器比內(nèi)存快得多。
但是我們要思考下，i = i;是不是沒有意義的代碼呢？我們很容易認(rèn)為這個答案 是的確沒有意義。
但是，我們假設(shè)有一種情況，在int i = 10;之后，因為某種原因，比如硬件中斷，多線程的修改或者其他原因，導(dǎo)致此時i改變了，而不是初始的i = 10了，那么我們后續(xù)的代碼i = i;就變得非常重要，因為其需要讀取在內(nèi)存中，新的值i，而不是簡單的將其忽視掉或者簡單地讀取內(nèi)存中的值，注意到這個時候寄存器中的值已經(jīng)是“過時”了的，如果任由編譯器去優(yōu)化，那么你將永遠(yuǎn)無法讀取傳感器的值（傳感器的值很多由硬件中斷讀取。）
通過上面的討論，我們便能理解這兩個不同的匯編結(jié)果了，在第二段匯編中，我們不僅通過movl $10, -4(%rbp)將直接數(shù)10傳輸?shù)搅藘?nèi)存-4(%rbp) （指的是寄存器%rbp中的地址所指向的內(nèi)存偏移4個字節(jié)的內(nèi)存位置，是相對尋址的指令），而且接下來還重新讀取了該內(nèi)存位置的值，并且將其賦給了自己的這個內(nèi)存位置（這個過程中，因為該變量可能是易變的，因此該內(nèi)存可能會被其他程序給覆蓋，因此要重新讀?。?/p>
重新回到我們的討論，那么什么時候我們需要用volatile這個修飾符呢？當(dāng)屬于下面幾種情況的時候，應(yīng)該考慮這個修飾符：
- 當(dāng)全局變量會被中斷服務(wù)函數(shù)給修改的時候。例如一個全局變量可以表示一個外部數(shù)據(jù)接口（通常全局指針被引用為內(nèi)存映射IO），這意味著該數(shù)據(jù)會被動態(tài)地更新。如果我們的代碼期望讀取數(shù)據(jù)接口的值，那么我們就應(yīng)該將其定義為
volatile，以獲取其數(shù)據(jù)的最新值。如果我們不這么做，編譯器的優(yōu)化過程會使得只讀取一次該接口的數(shù)據(jù)，并且將其加載到寄存器中，接下來都只能讀取該寄存器中的舊值了。 - 在多線程應(yīng)用中的全局變量。在多線程通信中，有著多種通信方式：信號傳遞（message passing），郵箱（mail boxes），共享內(nèi)存（shared memory）等。一個全局變量是共享內(nèi)存的樸素形式。當(dāng)兩個線程通過全局變量共享信息時，他們需要用
volatile進(jìn)行修飾。因為線程是異步運行的，每個線程導(dǎo)致的全局變量的每次更新，都應(yīng)該被其他線程重新從內(nèi)存中獲取。為了消除編譯器優(yōu)化導(dǎo)致的效果，這些全局變量必須要用volatile修飾。
如果我們不用volatile修飾，有可能會導(dǎo)致以下問題：
- 當(dāng)編譯器優(yōu)化開啟時，代碼可能不會正常工作。
- 當(dāng)中斷發(fā)生時，代碼可能不會正常工作。
Reference
[1]. https://www.geeksforgeeks.org/understanding-volatile-qualifier-in-c/