0%

C++ volatile关键字

发表于 更新于 分类于 ，

C++volatile关键字

参考链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/62060524

volatile 的作用

volatile 关键字是一种类型修饰符，用它声明的类型变量表示可以被某些编译器未知的因素更改。比如：操作系统、硬件或者其它线程等。遇到这个关键字声明的变量，编译器对访问该变量的代码就不再进行优化，系统总是重新从它所在的内存读取数据，从而可以提供对特殊地址的稳定访问。

为什么可以提供特殊地址的稳定访问？

例如：

1
2
3
volatile int i=10;
int a = i;
int b = i;

volatile 指出 i 是随时可能发生变化的，每次使用它的时候必须从 i的地址中读取，因而编译器生成的汇编代码会重新从i的地址读取数据放在 b 中。而优化做法是，由于编译器发现两次从 i读数据的代码之间的代码没有对 i 进行过操作，它会自动把上次读的数据放在 b 中。而不是重新从 i 里面读。这样以来，如果 i是一个寄存器变量或者表示一个端口数据就容易出错，所以说 volatile 可以保证对特殊地址的稳定访问。

更多的可能是多线程并发访问共享变量时，一个线程改变了变量的值，怎样让改变后的值对其它线程 visible

下面通过插入汇编代码，测试有无 volatile 关键字，对程序最终代码的影响：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
#include <stdio.h>
void main()
{
    int i = 10;
    int a = i;

    printf("i = %d", a);

    // 下面汇编语句的作用就是改变内存中 i 的值
    // 但是又不让编译器知道
    __asm {
        mov dword ptr [ebp-4], 20h
    }

    int b = i;
    printf("i = %d", b);
}
// 然后，在 Debug 版本模式运行程序，输出结果如下： i = 10   i = 32
// 然后，然后，在 Release 版本模式运行程序 输出结果如下： i = 10   i = 10  加上 volatile 关键字 就不会这样了

输出的结果明显表明，Release 模式下，编译器对代码进行了优化，第二次没有输出正确的 i 值。

内嵌汇编操纵栈”这种方式属于编译无法识别的变量改变

使用场景

一般说来，volatile用在如下的几个地方：

  • 中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量需要加volatile；
  • 多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile；
  • 存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile说明，因为每次对它的读写都可能由不同意义；

volatile指针

和 const 修饰词类似，const 有常量指针和指针常量的说法，volatile 也有相应的概念：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
const char* cpch;
volatile char* vpch;  // 修饰由指针指向的对象、数据是 const 或 volatile 的：
char* pch;
volatile a = 1;
pch = &a       // 错误
vpch = &a      // 正确

char* const pchc;
char* volatile pchv;  // 指针自身的值——一个代表地址的整数变量，是 const 或 volatile 的：

  1. 可以把一个非volatile int赋给volatile int，但是不能把非volatile对象赋给一个volatile对象。
  2. 除了基本类型外，对用户定义类型也可以用volatile类型进行修饰。
  3. 用户只能用const_cast来获得对类型接口的完全访问。此外，volatile像const一样会从类传递到它的成员。
  4. 和 const 类似， 只能将 volatile 的对象的地址 赋给 可以指向volitatlie对象的指针，只能将volatile 对象绑定到 volatile 引用上。
  5. 一个对象即可以是 volatile 属性的 同时 也是 const 属性，不冲突，例如只读的寄存器值。
  6. 和 const 的重要的区别是，不能使用 合成的 拷贝构造函数及赋值运算符初始化 volatitle 对象或从 volatile 对象赋值，需要重新实现。

多线程下的 volatile

有些变量是用volatile关键字声明的。当两个线程都要用到某一个变量且该变量的值会被改变时，应该用volatile声明，该关键字的作用是防止优化编译器把变量从内存装入CPU寄存器中。如果变量被装入寄存器，那么两个线程有可能一个使用内存中的变量，一个使用寄存器中的变量，这会造成程序的错误执行。volatile的意思是让编译器每次操作该变量时一定要从内存中真正取出，而不是使用已经存在寄存器中的值，如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
volatile BOOL bStop = FALSE;
// 在一个线程中
while( !bStop ) { ... } 
bStop = FALSE; 
return; 
//在另一个线程中 要终止上面的线程循环。
bStop  =  TRUE;  
while(  bStop  );

等待上面的线程终止，如果bStop不使用volatile声明，那么这个循环将是一个死循环，因为bStop已经读取到了寄存器中，寄存器中bStop的值永远不会变成FALSE，加上volatile，程序在执行时，每次均从内存中读出bStop的值，就不会死循环了。

volatile与多线程

  • 详细见参考博文，感觉这块水挺深 以后再说
  • CPU 的乱序执行，为了提高效率，CPU会乱序执行。例如如果当前需要从内存中读取变量的a的值，但是这个要等，为了效率，CPU可能会将后面不需要等待的，且和a变量完全不相关的指令先执行（这个不相关，不仅仅指依赖关系）。单核单线程下，不会存在这种操作没问题，最终结果看起来也像串行的。但是如果是多线程，乱序就会有问题，通常来说，多线程下，不能寄希望于使用 volatile 来解决 并发引起的冲突问题。要使用原子操作。
  • CPU乱序执行的证明？肯定要用多线程证明 https://hihen.github.io/posts/cpu-exec-out-of-order/