一文理解C语言中的volatile修饰符

一文理解C语言中的volatile修饰符

2019/12/2 FesianXu

前言

volatile修饰符是在嵌入式开发和多线程并发编程中常见的修饰符，理解其对于实践过程非常有帮助，此文参考了[1]，并且附上了笔者的一些例子，希望对大家有所帮助。

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volatile修饰符用于C语言和C++中，其意在阻止编译器对其修饰对象进行任何形式的优化，有时候，这种编译器“自作主张”的优化会导致编程者意想不到的结果，因此需要引入这个关键字进行限制。

当一个对象可能会被当前代码以外的环境，在任何时刻被改变的时候，一个对象如果此时被声明为了volatile，那么其就可以脱离编译器的优化过程。当需要读取该数据的时候，系统总是会重新从内存位置中读取当前的volatile类型的数据，而不是直接取其在寄存器中的值，我们要知道，为了执行效率，即便是你指定了要从之前的同一个对象中取值，编译器在优化过程中也很可能会不直接从内存中读取数据，而是直接采用寄存器中的值（我们将会从后续的例子中看到这个情况。），这个行为在一般情况下的确能够提高程序的执行速率，毕竟数据从寄存器中读取，要比从内存中读取快上好几个数量级。比如我们见一个简单例子：

// sample.c
int main(){
    int i = 10;
    i = i;
    return 0;
}

在linux下用命令gcc -S sample.c编译，我们得到了其汇编结果，我截取了其主体，如：

movl  $10, -4(%rbp)

而在sample.c的变量声明中如果加上volatile修饰符，那么程序变成：

// sample.c
int main(){
    volatile int i = 10;
    i = i;
    return 0;
}

汇编后的结果为：

movl  $10, -4(%rbp)
movl  -4(%rbp), %eax
movl  %eax, -4(%rbp)

我们对比这两次的汇编结果，我们发现，第一次没有声明其为易变的时候，编译器分析了代码的变量的关系，并且进行了优化，编译器认为，我的变量i既然在下一步还需要赋值给自己，那么何必在重新从内存中读取i的值呢，因此，从汇编来看，i = i这条c语言代码其实是无效的。 在一般的编译器优化中，因为编译器可能会认为变量i是非易变的，如果其变化了，只能是因为程序员对其进行了显式的赋值改变，因此在需要再次读取变量i的值的时候，与其重新从内存中读取，不如直接利用其已经读入到寄存器中的值，毕竟寄存器比内存快得多。

但是我们要思考下，i = i;是不是没有意义的代码呢？我们很容易认为这个答案 是的确没有意义。

但是，我们假设有一种情况，在int i = 10;之后，因为某种原因，比如硬件中断，多线程的修改或者其他原因，导致此时i改变了，而不是初始的i = 10了，那么我们后续的代码i = i;就变得非常重要，因为其需要读取在内存中，新的值i，而不是简单的将其忽视掉或者简单地读取内存中的值，注意到这个时候寄存器中的值已经是“过时”了的，如果任由编译器去优化，那么你将永远无法读取传感器的值（传感器的值很多由硬件中断读取。）

通过上面的讨论，我们便能理解这两个不同的汇编结果了，在第二段汇编中，我们不仅通过movl $10, -4(%rbp)将直接数10传输到了内存-4(%rbp) （指的是寄存器%rbp中的地址所指向的内存偏移4个字节的内存位置，是相对寻址的指令），而且接下来还重新读取了该内存位置的值，并且将其赋给了自己的这个内存位置（这个过程中，因为该变量可能是易变的，因此该内存可能会被其他程序给覆盖，因此要重新读取）。

重新回到我们的讨论，那么什么时候我们需要用volatile这个修饰符呢？当属于下面几种情况的时候，应该考虑这个修饰符：

1. 当全局变量会被中断服务函数给修改的时候。例如一个全局变量可以表示一个外部数据接口（通常全局指针被引用为内存映射IO），这意味着该数据会被动态地更新。如果我们的代码期望读取数据接口的值，那么我们就应该将其定义为volatile，以获取其数据的最新值。如果我们不这么做，编译器的优化过程会使得只读取一次该接口的数据，并且将其加载到寄存器中，接下来都只能读取该寄存器中的旧值了。
2. 在多线程应用中的全局变量。在多线程通信中，有着多种通信方式：信号传递（message passing），邮箱（mail boxes），共享内存（shared memory）等。一个全局变量是共享内存的朴素形式。当两个线程通过全局变量共享信息时，他们需要用volatile进行修饰。因为线程是异步运行的，每个线程导致的全局变量的每次更新，都应该被其他线程重新从内存中获取。为了消除编译器优化导致的效果，这些全局变量必须要用volatile修饰。

如果我们不用volatile修饰，有可能会导致以下问题：

1. 当编译器优化开启时，代码可能不会正常工作。
2. 当中断发生时，代码可能不会正常工作。

Reference

[1]. https://www.geeksforgeeks.org/understanding-volatile-qualifier-in-c/