C语言中的volatile到底有什么用？

大家好，我是小风哥。

学C语言时有一个奇怪的关键字volatile，这到底有什么用呢？

volatile与编译器

首先来看这样一段代码：

int busy = 1;

void wait() {
    while(busy) {
        ;
    }
}

编译一下，注意，这里使用O2优化：

让我们仔细看看生成的这段汇编：

wait:
        mov     eax, DWORD PTR busy[rip]
.L2:
        test    eax, eax
        jne     .L2
        ret
busy:
        .long   1

其中L2这一段即为while循环，这段指令是经过编译器优化的，可以看到，决定能否跳出循环是通过检查寄存器eax来完成的，而没有检查变量busy所在内存的真实内容。

注意，对于这段代码来说这里的优化是正确的，但问题是如果还有其它代码修改了变量busy，那么这里的优化会导致其它代码对变量busy的修改根本就不能生效，就像这样：

int busy = 1;

// 该函数在A线程中执行
void wait() {
    while(busy) {
        ;
    }
}

// 该函数在B线程中执行
void signal() {
    busy = 0;
}

如果wait函数中while循环对应的机器指令仅仅从寄存器中读取数据那么即使B线程的signal函数修改了busy变量也不能让wait函数从循环中跳出来。

如果你对busy变量使用volatile修饰，生成的指令就变成这样了：

wait:
.L2:
        mov     eax, DWORD PTR busy[rip]
        test    eax, eax
        jne     .L2
        ret
busy:
        .long   1

注意看此时L2这一段，每次都从busy变量所在的内存中读取数据并存放在eax，然后再去判断，这样就能确保每次都能读取到busy变量的最新值。

实际上你可以把寄存器eax当做busy所在内存的cache，当cache(寄存器)和内存中的数据一致时不会有任何问题，但当cache与内存中的数据不一致时(也就是内存已被更新但cache保存的还是旧数据)，程序的运行往往出乎预料。

除了多线程的例子，还有一类就是signal handler以及硬件修改该变量(用C语言与硬件交互式时经常遇到)，如果编译器生成文章开头那样的指令那么等待线程将检测不到signal handler或者硬件对变量的修改。

因此在这里我们需要告诉编译器：“不要耍小聪明，不要只从寄存器中读数据，这个变量可能在其它地方已经被修改了，使用时从内存中获取最新数据”。

现在是时候简单总结一下了，volatile仅仅阻止编译器试图去优化对变量的读取操作。

volatile与多线程

一定要注意volatile仅仅确保变量的可见性，但和变量的原子访问没有半毛钱关系，这是两个完全不同的任务。

假设有一个非常复杂的结构体struct foo:

struct data {
  int a;
  int b;
  int c;
  ...
};

volatile struct data foo; 

void thread1() {
    foo.a = 1;
    foo.b = 2;
    foo.c = 3;
    ...
}

void thread2() {
    int a = foo.a;
    int b = foo.b;
    int c = foo.c;
    ...
}

你仅仅用volatile去修饰变量foo只是确保了当该变量被thread1修改后我们能在thread2中读取到最新值，但是这解决不了多线程并发读写需要原子访问foo的问题。

确保变量原子性访问一般都采用锁，当使用锁时，锁本身就包含了volatile提供能力，即，确保变量的可见性，因此当使用锁时没有必要使用volatile。

volatile与memory order

有的同学可能会想如果我想用volatile修饰的变量没有那么复杂，仅仅是一个int，就像这样：

volatile int busy = 0;

A线程读取busy变量，B线程更新busy变量，当A检测到busy变化后执行特定操作，这样可行吗？既然通过volatile修饰后可以确保每次都从内存中读取busy，那么应该可以这样使用吧。

然而，计算机在概念上可能相对简单些，但在工程实践中是复杂的。

我们知道由于CPU与内存之间的速度差异非常大，CPU与内存之间有一层cache，CPU其实并没有直接读取内存，cache的存在会让问题复杂起来，限于篇幅与本文主题这里不再展开。

为优化内存读写，CPU可能会对内存读写操作进行指令重排，reordering，带来的后果就是：假设在线程1中先后执行第N行代码与第N+1行代码，但在线程2看来却是第N+1行代码先生效，假设X的初始值为0，Y的初始值为1：

线程1           线程2
X = 10         if (!busy)
busy = 0;         Y = X;

当线程2检测到busy为0后读取X的值，此时读取到的X值可能为0。

为解决这一问题，我们需要的不是volatile，volatile解决不了reordering问题，我们需要的是内存屏障，memory barrier。

内存屏障是一类机器指令，该指令对处理器在该屏障指令之前与之后的内存操作进行了限制，确保不会出现重排问题。

而内存屏障带来的效果依然能够涵盖volatile提供的功能，因此也不需要volatile。

可以看到，在多线程环境下我们几乎总是不会使用volatile关键字。

好啦，这个话题就到这里，如果我有理解不到位的地方欢迎大家批评指正。

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