C++系列总结——volatile关键字

前言

volatile的中文意思是易变的，但这个易变和mutable是不同的含义。mutable是指编译期的易变，根据语法编译器默认不会让我们修改某些变量，但是加上mutable让编译器知道我们要修改的态度很强硬。而volatile的易变是指运行期的易变，这些变化是编译器无法感知的变化，让编译器不要瞎优化。

volatile如何影响编译结果

例一

编译器会将其认为无用的死代码优化掉。

int main()
{
    int* reg = 0x123456; // 假设0x123456是某个特殊寄存器的地址
    *reg = 0x1;
    *reg = 0x2;
    *reg = 0x3;
    *reg = 0x4;
    return 0;
}

上面的代码通过g++ a.cpp -O2编译后，你会发现只有*reg = 0x4;生效了，其他语句被优化掉了。

   0x0000000000400540 <+0>: movl   $0x4,0x123456
   0x000000000040054b <+11>:    xor    %eax,%eax
   0x000000000040054d <+13>:    retq 

一般情况下，这没有什么影响，但是上例中的代码实际是初始化某个设备的状态，任何状态的赋值都不能被省略，否则可能导致设备异常无法工作，此时就需要用到volatile。当加上volatile修饰后，同样通过g++ a.cpp -O2编译后，没有任何语句被优化掉

   0x0000000000400540 <+0>: movl   $0x1,0x123456
   0x000000000040054b <+11>:    xor    %eax,%eax
   0x000000000040054d <+13>:    movl   $0x2,0x123456
   0x0000000000400558 <+24>:    movl   $0x3,0x123456
   0x0000000000400563 <+35>:    movl   $0x4,0x123456
   0x000000000040056e <+46>:    retq 

例二

因为寄存器速度快，所以编译器会使用寄存器达到优化的目的，避免频繁操作内存。
玩过单片机或者ARM板的同学肯定都写过跑马灯程序，下面的程序就算简单模拟一下LED灯忽闪忽闪。

int main()
{
    int* a = (int*)0x123456;
    for( int i = 0; i < 1000; ++i ){
        *a = ~(*a); // 反复取反，开关LED灯
        sleep( 1 );
    }
    return 0;
}

通过g++ a.cpp -O2编译后，你会发现每次取反后的值都保存在寄存器edx中，只在最后把edx里的值保存到了0x123456，这相当于只开关了LED灯一次，不符合预期。

   0x0000000000400540 <+0>: mov    0x123456,%edx
   0x0000000000400547 <+7>: mov    $0x3e8,%eax
   0x000000000040054c <+12>:    nopl   0x0(%rax)
   0x0000000000400550 <+16>:    sub    $0x1,%eax
   0x0000000000400553 <+19>:    not    %edx
   0x0000000000400555 <+21>:    jne    0x400550 <main+16>
   0x0000000000400557 <+23>:    mov    %edx,0x123456
   0x000000000040055e <+30>:    xor    %eax,%eax
   0x0000000000400560 <+32>:    retq 

当加上volatile后，每次取反结果都会存入0x123456，开关LED灯1000次符合预期。

=> 0x0000000000400540 <+0>: mov    $0x3e8,%edx
   0x0000000000400545 <+5>: nopl   (%rax)
   0x0000000000400548 <+8>: mov    0x123456,%eax
   0x000000000040054f <+15>:    sub    $0x1,%edx
   0x0000000000400552 <+18>:    not    %eax
   0x0000000000400554 <+20>:    mov    %eax,0x123456      # 每次取反结果都会存入0x123456
   0x000000000040055b <+27>:    jne    0x400548 <main+8>
   0x000000000040055d <+29>:    xor    %eax,%eax
   0x000000000040055f <+31>:    retq

上面这个例子还可以反一下，即程序统计外部开关LED灯的开关次数（通过中断感知），如果使用寄存器优化的话，CPU可能只感知到一次变化。

例三

编译器可以重排指令方便指令流水化处理，达到优化目的。

int main()
{
    int* a = (int*)0x123456;  // 0x123456是某个设备地址
    *a = 0x1; // 开启该设备
    int* b = (int*)0x654321; // 0x654321是该设备的数据读取地址
    printf( "%d\n", *b ); // 读取该地址的数据
    return 0;;
}

上面代码的逻辑是开启某个设备后，从该设备指定地址读取数据，存在因果关系，但编译器无法识别。因此通过g++ a.cpp -O2编译后，你会发现*b被提前了，程序不符合预期。

=> 0x0000000000400590 <+0>: sub    $0x8,%rsp
   0x0000000000400594 <+4>: mov    0x654321,%esi # 先从0x654321读取数据放入esi作为printf的第二个参数，也就是先执行了*b
   0x000000000040059b <+11>:    movl   $0x1,0x123456 # 后将0x1设置到0x123456
   0x00000000004005a6 <+22>:    mov    $0x400760,%edi # "%d\n"放入edi作为printf的第一个参数
   0x00000000004005ab <+27>:    xor    %eax,%eax
   0x00000000004005ad <+29>:    callq  0x400530 <printf@plt>
   0x00000000004005b2 <+34>:    xor    %eax,%eax
   0x00000000004005b4 <+36>:    add    $0x8,%rsp
   0x00000000004005b8 <+40>:    retq

使用volatile修饰a和b后，指令执行顺序符合预期

=> 0x0000000000400590 <+0>: sub    $0x8,%rsp
   0x0000000000400594 <+4>: movl   $0x1,0x123456 # 先将0x1设置到0x123456
   0x000000000040059f <+15>:    mov    0x654321,%esi # 后从0x654321读取数据放入esi作为printf的第二个参数，也就是先执行了*b
   0x00000000004005a6 <+22>:    mov    $0x400760,%edi
   0x00000000004005ab <+27>:    xor    %eax,%eax
   0x00000000004005ad <+29>:    callq  0x400530 <printf@plt>
   0x00000000004005b2 <+34>:    xor    %eax,%eax
   0x00000000004005b4 <+36>:    add    $0x8,%rsp
   0x00000000004005b8 <+40>:    retq

结语

volatile保证了单一执行线程内，对其修饰的变量的访问不能被优化，以及对另一先序或后序该volatile变量的volatile变量的访问不会被重排序。
从上面的例子能看看出，嵌入式开发中，volatile会比较常用，但在普通应用开发中其实很少用到，一般配合信号处理函数使用。

volatile并不能保证多线程安全。

上述代码运行必崩溃，看看意思就好。
gcc version 4.8.5 20150623