Volatile变量

在程序设计中，尤其是在C语言、C++、C#和Java语言中，使用volatile关键字声明的变量或对象通常具有与优化、多线程相关的特殊属性。通常，volatile关键字是用来阻止（伪）编译器因誤認某段程式碼無法被程式碼本身所改變，而造成的過度優化。如在C语言中，volatile关键字可以用来提醒编译器它后面所定义的变量随时有可能改变，因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候，都会直接从变量地址中读取数据。如果没有volatile关键字，则编译器可能优化读取和存储，可能暂时使用寄存器中的值，如果这个变量由别的程序更新了的话，将出现不一致的现象。

在C环境中，volatile关键字的真实定义和适用范围经常被误解。虽然C++、C#和Java都保留了C中的volatile关键字，但在这些编程语言中volatile的用法和语义却大相径庭。

C和C++中的volatile

在C，以及C++中，volatile关键字的作用[1]：

  • 允许访问内存映射设备
  • 允许在setjmp和longjmp之间使用变量
  • 允许在信号处理函数中使用sig_atomic_t变量

根据相关的标准（C,C++,POSIX,WIN32)和目前绝大多数实现，对volatile变量的操作并不是原子的，也不能用来为线程建立严格的happens-before关系。volatile关键字就像便携式线程构建一样基本没什么用处[1][2][3][4][5]。

Visual C++ 2005 保证volatile变量是一种内存屏障，阻止编译器和CPU重新安排读入和写出语义。[6] 在先前版本的Visual C++则没有此类保证。在其他方面将指针定义为volatile可能会影响程序的性能。例如，如果指针定义对代码的其他地方可见，强制编译器将指针视为屏障，就会降低程序的性能，这是完全不必要的。

对用户定义的非基本数据类型使用volatile

基本类型的对象用volatile修饰后，仍旧支持所有的操作（加、乘、赋值等）。但是，用户定义的非基本类型（class、struct、union）的对象被volatile修饰后，具有不同行为：

  • 只能调用volatile成员函数；即只能访问它的接口的子集。
  • 只能通过const_cast运算符转为没有volatile修饰的普通对象。即由此可以获得对类型接口的完全访问。
  • volatile性质会传递给它的数据成员。

volatile与多线程语义

临界区内部，通过互斥锁（mutex）保证只有一个线程可以访问，因此临界区内的变量不需要是volatile的；而在临界区外部，被多个线程访问的变量应为volatile，这也符合了volatile的原意：防止编译器缓存（cache）了被多个线程并发用到的变量。volatile对象只能调用volatile成员函数，这意味着应仅对多线程并发安全的成员函数加volatile修饰，这种volatile成员函数可自由用于多线程并发或者重入而不必使用临界区；非volatile的成员函数意味着单线程环境，只应在临界区内调用。在多线程编程中可以令该数据对象的所有成员函数均为普通的非volatile修饰，从而保证了仅在进入临界区（即获得了互斥锁）后把该对象显式转为普通对象之后才能调用该数据对象的成员函数。这种用法避免了编程者的失误——在临界区以外访问共享对象的内容：

template <typename T> class LockingPtr{
  public:
    LockingPtr(volatile T& obj, Mutex& mtx)
        :pObj_(const_cast<T*>(&obj) ),  pMtx_(&mtx)
        {  mtx.Lock();  }
    ~LockingPtr()
        { pMtx->Unlock();  }
    T& operator*() 
        {  return *pObj_;  }
    T* operator->()
        {  return pObj_;   }
  private:
    T* pObj_;
    Mutex* pMtx_;
    LockingPtr(const LockingPtr&);
    LockingPtr& operator=(const LockingPtr&);
}

对于内建类型，不应直接用volatile，而应把它包装为结构的成员，就可以保护了volatile的结构对象不被不受控制地访问。

C语言中MMIO的例子

在这里例子中，代码将foo的值设置为0。然后开始不断地轮询它的值直到它变成255：

static int foo;
 
void bar(void) {
    foo = 0;
 
    while (foo != 255)
         ;
}

一个执行优化的编译器会提示没有代码能修改foo的值，并假设它永远都只会是0.因此编译器将用类似下列的无限循环替换函数体：

void bar_optimized(void) {
    foo = 0;
 
    while (true)
         ;
}

但是，foo可能指向一个随时都能被计算机系统其他部分修改的地址，例如一个连接到中央处理器的设备的硬件寄存器，上面的代码永远检测不到这样的修改。如果不使用volatile关键字，编译器将假设当前程序是系统中唯一能改变这个值部分（这是到目前为止最广泛的一种情况）。 为了阻止编译器像上面那样优化代码，需要使用volatile关键字：

static volatile int foo;
 
void bar (void) {
    foo = 0;
 
    while (foo != 255)
        ;
}

这样修改以后循环条件就不会被优化掉，当值改变的时候系统将会检测到。

C语言中的优化对比

下面的C程序和后面的汇编代码展示了volatile关键字如何影响编译器的输出。这里使用的编译器是GCC。

Java中的volatile

Java也支持 volatile 关键字，但它被用于其他不同的用途。当 volatile 用于一个作用域时，Java保证如下：

  1. （适用于Java所有版本）读和写一个 volatile 变量有全局的排序。也就是说每个线程访问一个 volatile 作用域时会在继续执行之前读取它的当前值，而不是（可能）使用一个缓存的值。（但是并不保证经常读写 volatile 作用域时读和写的相对顺序，也就是说通常这并不是有用的线程构建）。
  2. （适用于Java5及其之后的版本） volatile 的读和写建立了一个happens-before关系，类似于申请和释放一个互斥锁[7]。

使用volatile会比使用锁更快，但是在一些情况下它不能工作。volatile使用范围在Java5中得到了扩展，特别是双重检查锁定现在能够正确工作[8]。

Ada中的volatile

在Ada中，比起关键字，Volatile标记更像是一种指令。“对于volatile对象而言，所有读和更新都会作为一个整体直接执行到内存”[9]。

参考
  1. Publication on C++ standards committee website; http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2006/n2016.html （页面存档备份，存于）
  2. Volatile Keyword In Visual C++; http://msdn2.microsoft.com/en-us/library/12a04hfd.aspx （页面存档备份，存于）
  3. Linux Kernel Documentation - Why the "volatile" type class should not be used; . [2007-08-17]. （原始内容存档于2007-08-25）.
  4. Volatile: Almost Useless for Multi-Threaded Programming (Intel Software Network); . [2011-08-31]. （原始内容存档于2007-12-13）.
  5. C++ and the Perils of Double-Checked Locking; http://www.aristeia.com/Papers/DDJ_Jul_Aug_2004_revised.pdf （页面存档备份，存于）
  6. . [2016-02-20]. （原始内容存档于2012-10-20）.
  7. Section 17.4.4: Synchronization Order . Sun Microsystems. 2005 [2010-11-22]. （原始内容存档于2012-02-14）.
  8. Neil Coffey. . Javamex. [2009-09-19]. （原始内容存档于2021-03-06）.
  9. "C.6 Shared Variable Control" . ISO. 2005 [2010-05-04]. （原始内容存档于2021-03-06）.

外部链接
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