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C語言中的關鍵字volatile到底有什么用呢

冬至配餃子 ? 來源:碼農的荒島求生 ? 作者:陸小風 ? 2022-08-19 15:20 ? 次閱讀

C語言時有一個奇怪的關鍵字volatile,這到底有什么用呢?

volatile與編譯器

首先來看這樣一段代碼:

poYBAGL_OPqAJcX1AAAmuspJiPM513.png

編譯一下,注意,這里使用O2優化

poYBAGL_OQuAUL6RAABH_m-ekkU022.png

讓我們仔細看看生成的這段匯編

poYBAGL_ORuAbQaYAAAx5NlEoUA148.png

其中L2這一段即為while循環,這段指令是經過編譯器優化的,可以看到,決定能否跳出循環是通過檢查寄存器eax來完成的,而沒有檢查變量busy所在內存的真實內容。注意,對于這段代碼來說這里的優化是正確的,但問題是如果還有其它代碼修改了變量busy,那么這里的優化會導致其它代碼對變量busy的修改根本就不能生效,就像這樣:

poYBAGL_OS2AX76OAABCqHuCaHk299.png

如果wait函數中while循環對應的機器指令僅僅從寄存器中讀取數據那么即使B線程的signal函數修改了busy變量也不能讓wait函數從循環中跳出來。如果你對busy變量使用volatile修飾,生成的指令就變成這樣了:

poYBAGL_OUGAJgWUAAB5XeDiP-A019.png

注意看此時L2這一段,每次都從busy變量所在的內存中讀取數據并存放在eax,然后再去判斷,這樣就能確保每次都能讀取到busy變量的最新值。實際上你可以把寄存器eax當做busy所在內存的cache,當cache(寄存器)和內存中的數據一致時不會有任何問題,但當cache與內存中的數據不一致時(也就是內存已被更新但cache保存的還是舊數據),程序的運行往往出乎預料。除了多線程的例子,還有一類就是signal handler以及硬件修改該變量(用C語言與硬件交互式時經常遇到),如果編譯器生成文章開頭那樣的指令那么等待線程將檢測不到signal handler或者硬件對變量的修改。

pYYBAGL_OVOADcaxAABWCJPCGqM654.png

因此在這里我們需要告訴編譯器:“不要耍小聰明,不要只從寄存器中讀數據,這個變量可能在其它地方已經被修改了,使用時從內存中獲取最新數據”。現在是時候簡單總結一下了,volatile僅僅阻止編譯器試圖去優化
對變量的讀取操作


volatile與多線程一定要注意volatile僅僅確保變量的可見性,但和變量的原子訪問沒有半毛錢關系,這是兩個完全不同的任務。假設有一個非常復雜的結構體struct foo:

poYBAGL_OWaACKRUAABuHEE_1Qk178.png

你僅僅用volatile去修飾變量foo只是確保了當該變量被thread1修改后我們能在thread2中讀取到最新值,但是這解決不了多線程并發讀寫需要原子訪問foo的問題。確保變量原子性訪問一般都采用鎖,當使用鎖時,鎖本身就包含了volatile提供能力,即,確保變量的可見性,因此當使用鎖時沒有必要使用volatile。

volatile與memory order有的同學可能會想如果我想用volatile修飾的變量沒有那么復雜,僅僅是一個int,就像這樣:

pYYBAGL_OXeAIeSZAAAVhwVO_pw844.png

A線程讀取busy變量,B線程更新busy變量,當A檢測到busy變化后執行特定操作,這樣可行嗎?既然通過volatile修飾后可以確保每次都從內存中讀取busy,那么應該可以這樣使用吧。然而,計算機在概念上可能相對簡單些,但在工程實踐中是復雜的。我們知道由于CPU與內存之間的速度差異非常大,CPU與內存之間有一層cache,CPU其實并沒有直接讀取內存,cache的存在會讓問題復雜起來,限于篇幅與本文主題這里不再展開。為優化內存讀寫,CPU可能會對內存讀寫操作進行指令重排,reordering,帶來的后果就是:假設在線程1中先后執行第N行代碼與第N+1行代碼,但在線程2看來卻是第N+1行代碼先生效,假設X的初始值為0,Y的初始值為1:

poYBAGL_OYmASB2jAAAdTvpeW0g039.png

當線程2檢測到busy為0后讀取X的值,此時讀取到的X值可能為0。為解決這一問題,我們需要的不是volatile,volatile解決不了reordering問題,我們需要的是內存屏障,memory barrier。內存屏障是一類機器指令,該指令對處理器在該屏障指令之前與之后的內存操作進行了限制,確保不會出現重排問題。而內存屏障帶來的效果依然能夠涵蓋volatile提供的功能,因此也不需要volatile。可以看到,在多線程環境下我們幾乎總是不會使用volatile關鍵字。



審核編輯:劉清

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