前言

近期看到C++標準中對volatile關(guān)鍵字的定義，發(fā)現(xiàn)和java的volatile關(guān)鍵字完全不一樣，C++的volatile對并發(fā)編程基本沒有幫助。網(wǎng)上也看到很多關(guān)于volatile的誤解，于是決定寫這篇文章詳細解釋一下volatile的作用到底是什么。

為什么用volatile?

C/C++ 中的 volatile 關(guān)鍵字和 const 對應(yīng)，用來修飾變量，通常用于建立語言級別的 memory barrier。這是 BS 在 "The C++ Programming Language" 對 volatile 修飾詞的說明：

A volatile specifier is a hint to a compiler that an object may change its value in ways not specified by the language so that aggressive optimizations must be avoided.

volatile 關(guān)鍵字是一種類型修飾符，用它聲明的類型變量表示可以被某些編譯器未知的因素更改，比如：操作系統(tǒng)、硬件或者其它線程等。遇到這個關(guān)鍵字聲明的變量，編譯器對訪問該變量的代碼就不再進行優(yōu)化，從而可以提供對特殊地址的穩(wěn)定訪問。聲明時語法：int volatile vInt; 當(dāng)要求使用 volatile 聲明的變量的值的時候，系統(tǒng)總是重新從它所在的內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，即使它前面的指令剛剛從該處讀取過數(shù)據(jù)。而且讀取的數(shù)據(jù)立刻被保存。

編譯器對代碼的優(yōu)化

在講volatile關(guān)鍵字之前，先講一下編譯器的優(yōu)化。

int main() {
 int i = 0;
 i++;
 cout << "hello world" << endl;
}

按照代碼，這個程序會在內(nèi)存中預(yù)留int大小的空間，初始化這段內(nèi)存為0，然后這段內(nèi)存中的數(shù)據(jù)加1，最后輸出“hello world”到標準輸出中。但是根據(jù)這段代碼編譯出來的程序（加-O2選項），不會預(yù)留int大小的內(nèi)存空間，更不會對內(nèi)存中的數(shù)字加1。他只會輸出“hello world”到標準輸出中。

其實不難理解，這個是編譯器為了優(yōu)化代碼，修改了程序的邏輯。實際上C++標準是允許寫出來的代碼和實際生成的程序不一致的。雖說優(yōu)化代碼是件好事情，但是也不能讓編譯器任意修改程序邏輯，不然的話我們沒辦法寫可靠的程序了。所以C++對這種邏輯的改寫是有限制的，這個限制就是在編譯器修改邏輯后，程序?qū)ν饨绲腎O依舊是不變的。怎么理解呢？實際上我們可以把我們寫出來的程序看做是一個黑匣子，如果按照相同的順序輸入相同的輸入，他就每次都會以同樣的順序給出同樣的輸出。這里的輸入輸出包括了標準輸入輸出、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)IO、甚至一些system call等等，所有程序外部的事物都包含在內(nèi)。所以對于程序使用者來說，只要兩個黑匣子的輸入輸出是完全一致的，那么這兩個黑匣子是一致的，所以編譯器可以在這個限制下任意改寫程序的邏輯。

volatile關(guān)鍵字的作用

不知道有沒有注意到，剛剛提到輸入輸出的時候，并沒有提到內(nèi)存，事實上，程序?qū)ψ约簝?nèi)存的操作不屬于外部的輸入輸出。這也是為什么在上述例子中，編譯器可以去除對i變量的操作。但是這又會出現(xiàn)一個麻煩，有些時候操作系統(tǒng)會把一些硬件映射到內(nèi)存上，讓程序通過對內(nèi)存的操作來操作這個硬件，比如說把磁盤空間映射到內(nèi)存中。那么對這部分內(nèi)存的操作實際上就屬于對程序外部的輸入輸出了。對這部分內(nèi)存的操作是不能隨便修改順序的，更不能忽略。這個時候volatile就可以派上用場了。按照C++標準，對于glvalue的volatile變量進行操作，與其他輸入輸出一樣，順序和內(nèi)容都是不能改變的。這個結(jié)果就像是把對volatile的操作看做程序外部的輸入輸出一樣。（glvalue是值類別的一種，簡單說就是內(nèi)存上分配有空間的對象，更詳細的請看我的另一篇文章。）

按照C++標準，這是volatile唯一的功能，但是在一些編譯器（如，MSVC）中，volatile還有線程同步的功能，但這就是編譯器自己的拓展了，并不能跨平臺應(yīng)用。

對volatile常見的誤解

實際上“volatile可以在線程間同步”也是比較常見的誤解。比如以下的例子：

class AObject
{
public:
 void wait()
 {
 m_flag = false;
 while (!m_flag)
 {
  this_thread::sleep(1000ms);
 }
 }
 void notify()
 {
 m_flag = true;
 }

private:
 volatile bool m_flag;
};

AObject obj;

...

// Thread 1
...
obj.wait();
...

// Thread 2
...
obj.notify();
...

對volatile有誤解的人，或者對并發(fā)編程不了解的人可能會覺得這段邏輯沒什么問題，可能會認為volatile保證了，wait()對m_flag的讀取，notify()對m_flag的寫入，所以Thread 1能夠正常醒來。實際上并不是，Thread 1可能永遠看不到m_flag變成true。因為在多核CPU中，每個CPU都有自己的緩存。緩存中存有一部分內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，CPU要對內(nèi)存讀取與存儲的時候都會先去操作緩存，而不會直接對內(nèi)存進行操作。所以多個CPU“看到”的內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是不一樣的，這個叫做內(nèi)存可見性問題（memory visibility）。并發(fā)編程下，一個程序可以有多個線程在不同的CPU核中同時運行，這個時候內(nèi)存可見性就會影響程序的正確性。放到例子中就是，Thread 2修改了m_flag對應(yīng)的內(nèi)存，但是Thread 1在其他CPU核上運行，而兩個CPU緩存和內(nèi)存沒有做同步，導(dǎo)致Thread 1運行的核上看到的一直都是舊的數(shù)據(jù)，于是Thread 1永遠都不能醒來。內(nèi)存可見性問題不是多線程環(huán)境下會遇到的唯一的問題，CPU的亂序執(zhí)行也會導(dǎo)致一些意想不到的事情發(fā)生，關(guān)于這點volatile能做的也是有限的。這些都是屬于并發(fā)編程的內(nèi)容，在此我就不多做展開，總之volatile關(guān)鍵字對并發(fā)編程基本是沒有幫助的。

那么用不了volatile，我們該怎么修改上面的例子？C++11開始有一個很好用的庫，那就是atomic類模板，在<atomic>頭文件中，多個線程對atomic對象進行訪問是安全的。以下為修改后的代碼：

class AObject
{
public:
 void wait()
 {
 m_flag = false;
 while (!m_flag)
 {
  this_thread::sleep(1000ms);
 }
 }
 void notify()
 {
 m_flag = true;
 }
private:
 atomic<bool> m_flag;
};

只要把“volatile bool”替換為“atomic<bool>”就可以。<atomic>頭文件也定義了若干常用的別名，例如“atomic<bool>”就可以替換為“atomic_bool”。atomic模板重載了常用的運算符，所以atomic<bool>使用起來和普通的bool變量差別不大。一些atomic的高級用法，由于要涉及到C++的內(nèi)存模型與并發(fā)編程，我就不在此展開了，以后有時間再補上。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對我們的支持。