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Reprint:C/C++ Volatile关键词深度剖析;

文章来源:http://hedengcheng.com/?p=725

https://www.cnblogs.com/god-of-death/p/7852394.html

此微博,引发了朋友们的大量讨论:赞同者有之;批评者有之;当然,更多的朋友,是希望我能更详细的解读C/C++ Volatile关键词,来佐证我的微博观点。而这,正是我写这篇博文的初衷:本文,将详细分析C/C++ Volatile关键词的功能 (有多种功能)、Volatile关键词在多线程编程中存在的问题、Volatile关键词与编译器/CPU的关系、C/C++ Volatile与Java Volatile的区别,以及Volatile关键词的起源,希望对大家更好的理解、使用C/C++ Volatile,有所帮助。

Volatile,词典上的解释为:易失的;易变的;易挥发的。那么用这个关键词修饰的C/C++变量,应该也能够体现出”易变”的特征。大部分人认识Volatile,也是从这个特征出发,而这也是本文揭秘的C/C++ Volatile的第一个特征。

Volatile:易变的

在介绍C/C++ Volatile关键词的”易变”性前,先让我们看看以下的两个代码片段,以及他们对应的汇编指令 (以下用例的汇编代码,均为VS 2008编译出来的Release版本):

测试用例一:非Volatile变量

b = a + 1;这条语句,对应的汇编指令是:lea ecx, [eax + 1]。由于变量a,在前一条语句a = fn©执行时,被缓存在了寄存器eax中,因此b = a + 1;语句,可以直接使用仍旧在寄存器eax中的a,来进行计算,对应的也就是汇编:[eax + 1]。

测试用例二:Volatile变量

与测试用例一唯一的不同之处,是变量a被设置为volatile属性,一个小小的变化,带来的是汇编代码上很大的变化。a = fn©执行后,寄存器ecx中的a,被写回内存:mov dword ptr [esp+0Ch], ecx。然后,在执行b = a + 1;语句时,变量a有重新被从内存中读取出来:mov eax, dword ptr [esp + 0Ch],而不再直接使用寄存器ecx中的内容。

小结

从以上的两个用例,就可以看出C/C++ Volatile关键词的第一个特性:易变性。所谓的易变性,在汇编层面反映出来,就是两条语句,下一条语句不会直接使用上一条语句对应的volatile变量的寄存器内容,而是重新从内存中读取。volatile的这个特性,相信也是大部分朋友所了解的特性。

在了解了C/C++ Volatile关键词的”易变”特性之后,再让我们接着继续来剖析Volatile的下一个特性:”不可优化”特性。

Volatile:不可优化的

与前面介绍的”易变”性类似,关于C/C++ Volatile关键词的第二个特性:”不可优化”性,也通过两个对比的代码片段来说明:

测试用例三:非Volatile变量

在这个用例中,非volatile变量a,b,c全部被编译器优化掉了 (optimize out),因为编译器通过分析,发觉a,b,c三个变量是无用的,可以进行常量替换。最后的汇编代码相当简介,高效率。

测试用例四:Volatile变量

测试用例四,与测试用例三类似,不同之处在于,a,b,c三个变量,都是volatile变量。这个区别,反映到汇编语言中,就是三个变量仍旧存在,需要将三个变量从内存读入到寄存器之中,然后再调用printf()函数。

小结

从测试用例三、四,可以总结出C/C++ Volatile关键词的第二个特性:“不可优化”特性。volatile告诉编译器,不要对我这个变量进行各种激进的优化,甚至将变量直接消除,保证程序员写在代码中的指令,一定会被执行。相对于前面提到的第一个特性:”易变”性,”不可优化”特性可能知晓的人会相对少一些。但是,相对于下面提到的C/C++ Volatile的第三个特性,无论是”易变”性,还是”不可优化”性,都是Volatile关键词非常流行的概念。


Volatile关键词的第三个特性:”顺序性”,能够保证Volatile变量间的顺序性,编译器不会进行乱序优化。Volatile变量与非Volatile变量的顺序,编译器不保证顺序,可能会进行乱序优化。同时,C/C++ Volatile关键词,并不能用于构建happens-before语义,因此在进行多线程程序设计时,要小心使用volatile,不要掉入volatile变量的使用陷阱之中。