语言基础（7）：关键字volatile
volatile，词典上的解释为：易失的；易变的；易挥发的。C++使用关键词volatile，有三个特性：易变性、不可优化性、顺序性。下文将详细分析，先看下 BS 在 "The C++ Programming Language" 对 volatile 修饰词的说明：
"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."
直白的翻译就是：“volatile修饰符是面向编译器的提示，修饰的对象可以通过语言不指定的方式改变其值（例如端口数据），因此对其进行激进的优化必须避免。”
PS：有个隐藏的点，volatile是面向编译器的关键字，因此它并不能约束CPU的指令优化！
1、volatile的起源
C/C++的Volatile关键词，有三个特性：易变性；不可优化性；顺序性。那么，为什么Volatile被设计成这样呢？要回答这个问题，就需要从volatile关键词的产生说起。(参考自C++ and the Perils of Double-Checked Locking第10章节：volatile：A Brief History。这是一篇顶顶好的论文，值得多次阅读，强烈推荐！)
volatile关键词，最早出现于19世纪70年代，被用于处理memory-mapeed I/O (MMIO)带来的问题。在引入MMIO之后，一块内存地址，既有可能是真正的内存，也有可能被映射到一个I/O端口。相对的，读写一个内存地址，既有可能操作内存，也有可能读写的是一个I/O设备。MMIO为什么需要引入volatile关键词？考虑如下的一个代码片段：
unsigned int *p = GetMagicAddress();
unsigned int a,b;
a = *p; // (1)
b = *p; // (2)
*p = a; // (3)
*p = b; // (4)
在此代码片段中，指针p既有可能指向一个内存地址，也有可能指向一个I/O设备。如果指针p指向的是I/O设备，那么：
- 代码(1)，(2)中的a，b，就会接收到I/O设备的连续两个字节（如果 p 指向内存，此时，编译器的优化策略，就可能会判断出a，b同时从同一内存地址读取数据，在做完(1)之后，直接将a赋值给b），对于I/O设备，需要防止编译器做这个优化，不能假设指针b指向的内容不变——易变性;
- 代码(3)，(4)也有类似的问题，编译器发现将a，b同时赋值给指针p是无意义的，因此可能会优化代码(3)中的赋值操作，仅仅保留代码(4)。对于I/O设备，需要防止编译器将写操作给彻底优化消失了——”不可优化”性。
- 对于(1), (2)或者(3), (4)，编译器不能随意交互指令的顺序，因为顺序一变，写入I/O设备的内容也就发生变化了——”顺序性”。
基于MMIO的这三个需求，设计出来的C/C++ Volatile关键词，所含有的特性，也就是本文前面分析的三个特性：易变性；不可优化性；顺序性。
2、volatile的特性
前面说过volatile有三个特性，下面我们通过代码来分别分析
1. 易变性
// 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(c)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]。
// volatile变量
变量a被设置为volatile属性，汇编代码上带来很大的变化，a = fn(c)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。
结论：C/C++ 关键字volatile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。
2. 不可优化性
// 非volatile变量
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。
// volatile变量
a，b，c三个变量，都是volatile变量，对应汇编语言，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。
结论：C/C++ 关键字volatile的不可优化性，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。
3. 顺序性
C/C++ volatile关键词前面提到的两个特性，让volatile经常被解读为一个为多线程而生的关键词：一个全局变量，会被多线程同时访问/修改，那么线程内部，就不能假设此变量的不变性，并且基于此假设，来做一些程序设计：
由于flag变量被声明了volatile属性，因此编译器在编译时，不会每次都从寄存器中读取此变量，同时也不会通过各种激进的优化，只要flag变量在Thread1中被修改，Thread2中就会读取到这个变化，进入if条件判断，然后进入if内部进行处理,问题在于something与flag之间执行顺序，是否与代码是一致的！
// 非volatile变量
全局变量A，B均为非volatile变量。通过gcc O2优化进行编译，你可以惊奇的发现，A，B两个变量的赋值顺序被调换了！！！在对应的汇编代码中，B = 0语句先被执行，然后才是A = B + 1语句被执行。先简单的介绍一下C/C++编译器最基本优化原理：保证一段程序的输出，在优化前后无变化。将此原理应用到上面，可以发现，虽然gcc优化了A，B变量的赋值顺序，但是foo()函数的执行结果，优化前后没有发生任何变化，仍旧是A = 1；B = 0。因此这么做是可行的。
// volatile变量
此用例代码，变量B被声明为volatile变量。通过查看对应的汇编代码，B仍旧被提前到A之前赋值，Volatile变量B，并未阻止编译器优化的发生，编译后仍旧发生了乱序现象,因此前面多线程代码是存在问题的。
// 两个Volatile变量
同时将A，B两个变量都声明为volatile变量，再来看看对应的汇编。奇迹发生了，A，B赋值乱序的现象消失。此时的汇编代码，与用户代码顺序高度一直，先赋值变量A，然后赋值变量B。如此看来，C/C++ Volatile变量间的操作，是不会被编译器交换顺序的。
既然C/C++ Volatile变量间，编译器是能够保证不交换顺序的，那么能不能将something中所有的变量全部设置为volatile呢？
很不幸，仍旧不行。将所有的变量都设置为volatile，首先能够阻止编译器的乱序优化，这一点是可以肯定的。但是，编译器编译出来的代码，最终是要通过CPU来执行的。目前，市场上有各种不同体系架构的CPU产品，CPU本身为了提高代码运行的效率，也会对代码的执行顺序进行调整，这就是所谓的CPU Memory Model (CPU内存模型)。可以参考这些资料：Memory Ordering From Wiki；Memory Barriers Are Like Source Control Operations From Jeff Preshing；CPU Cache and Memory Ordering From 何登成。
下面，是截取自Wiki上的一幅图，列举了不同CPU架构，可能存在的指令乱序：
从图中可以看到，X86体系(X86，AMD64)，也就是我们目前使用最广的CPU，也会存在指令乱序执行的行为：StoreLoad乱序，读操作可以提前到写操作之前进行。
针对这个多线程的应用，真正正确的做法是构建一个happens-before语义。关于happens-before语义的定义，可参考文章：The Happens-Before Relation。下面，用图的形式，来展示happens-before语义：
结论：C/C++ 关键字volatile的顺序性，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。且需要注意因为CPU的指令优化，即使多线程中都使用volatile，也不能构建happens-before语义
3、总结
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根据程序场景，为变量增加volatile关键字，使用volatile的“易变性、不可优化性和顺序性”，但要注意不要扩大volatile的功能，同时须知volatile是针对编译优化的约束，对CPU优化没有作用。 PS：Java对volatile进行了增强，可以保证volatile变量和普通变量的顺序性，且可以避免CPU优化，因此可在多线程环境中使用。 |
