【C++】volatile 关键字

1、什么是volatile

这是在MSDN中对关键字“volatile”的说明：

The volatile keyword is a type qualifier used to declare that an object can be modified in the program by something other than statements, such as the operating system, the hardware, or a concurrently executing thread.

volatile关键字是一种限定符用来声明一个对象在程序中可以被语句外的东西修改,比如操作系统、硬件或并发执行线程。
遇到该关键字，编译器不再对该变量的代码进行优化，不再从寄存器中读取变量的值，而是直接从它所在的内存中读取值，即使它前面的指令刚刚从该处读取过数据。而且读取的数据立刻被保存。

下面写个代码测试一下volatile关键字
注：VC6.0中一般调试模式没有进行代码优化，所以这个关键字的作用看不出来。下面通过插入汇编代码，测试有无 volatile 关键字，对程序最终代码的影响：

#include <stdio.h>    void main()    {        int i = 10;        int a = i;        printf("i = %d", a);        // 下面汇编语句的作用就是改变内存中 i 的值        // 但是又不让编译器知道        __asm {            mov dword ptr [ebp-4], 20h        }        int b = i;        printf("i = %d", b);    }

结果
在 Debug 版本模式运行程序：
i = 10 i = 32
在Release版本模式下运行程序：
i = 10 i = 10
上述 输出的结果明显表明，Release 模式下，编译器对代码进行了优化，第二次没有输出正确的 i 值。下面，我们把 i 的声明加上 volatile 关键字（在这里不再贴代码，就是上面的代码i前面加上volatile）

结果显示：在Debug和Release版本模式下运行程序
i = 10 i =32
这就是表示volatile关键字发挥了作用

2、volatile在哪儿使用

一般说来，volatile用在如下的几个地方：
(1)、中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量需要加volatile；
(2)、多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile；
(3)、存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile说明，因为每次对它的读写都可能有不同意义；
另外，以上这几种情况经常还要同时考虑数据的完整性（相互关联的几个标志读了一半被打断了重写），在1中可以通过关中断来实现，2 中可以禁止任务调度，3中则只能依靠硬件的良好设计了。

3、多线程下的volatile

当两个线程都要用到某一个变量且该变量的值会被改变时，应该用volatile声明，该关键字的作用是防止优化编译器把变量从内存装入CPU寄存器中。如果变量被装入寄存器，那么两个线程有可能一个使用内存中的变量，一个使用寄存器中的变量，这会造成程序的错误执行。volatile的意思是让编译器每次操作该变量时一定要从内存中真正取出，而不是使用已经存在寄存器中的值，如下：

volatile  BOOL  bStop  =  FALSE;    // (1) 在一个线程中：    while(  !bStop  )  {  ...  }    bStop  =  FALSE;    return;    

//(2) 在另外一个线程中，要终止上面的线程循环：    bStop  =  TRUE;    while(  bStop  );  //等待上面的线程终止，

如果bStop不使用volatile申明，那么这个循环将是一个死循环，因为bStop已经读取到了寄存器中，寄存器中bStop的值永远不会变成FALSE，加上volatile，程序在执行时，每次均从内存中读出bStop的值，就不会死循环了。

4、volatile的特性

(1)易变性
所谓的易变性，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。volatile的这个特性，相信也是大部分朋友所了解的特性。

(2)不可优化
测试非volatile变量

测试volatile变量

volatile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。当然，这样的假设，本身并没有什么问题，多线程编程，并发访问/修改的全局变量，通常都会建议加上Volatile关键词修饰，来防止C/C++编译器进行不必要的优化。但是，很多时候，C/C++ Volatile关键词，在多线程环境下，会被赋予更多的功能，从而导致问题的出现。
以下测试在Linux 系统下，centos6.5
测试用例1:非volatile 变量

注意：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。

在这里，我先简单的介绍一下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。

测试用例2：一个volatile变量

此测试，相对于测试用例五，最大的区别在于，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。

如此看来，C/C++ Volatile变量，与非Volatile变量之间的操作，是可能被编译器交换顺序的。在多线程下，如此使用volatile，会产生很严重的问题。

测试用例3：两个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。

下面看看在多线程下volatile的顺序性

下面这段伪代码，声明另一个Volatile的flag变量。一个线程(Thread1)在完成一些操作后，会修改这个变量。而另外一个线程(Thread2)，则不断读取这个flag变量，由于flag变量被声明了volatile属性，因此编译器在编译时，并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，直接将if (flag == true)改写为if (false == true)。

这只要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。在if条件的内部，由于flag == true，那么假设Thread1中的something操作一定已经完成了，在基于这个假设的基础上，继续进行下面的other things操作。

但是实际情况中，不一定能保证flag == true时 ，something == 1，
在测试用例2中，C/C++ Volatile变量与非Volatile变量间的操作顺序，有可能被编译器交换。因此，上面多线程操作的伪代码，在实际运行的过程中，就有可能变成下面的顺序：

所以当flag == true时 ，something == 1，
其实，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。进入if语句中，先assert(somthing == 1)，确保发生的情况下，执行otherthings。

小结：
C/C++ Volatile关键词的第三个特性：”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。同时，C/C++ Volatile关键词，并不能用于构建happens-before语义，因此在进行多线程程序设计时，要小心使用volatile，不要掉入volatile变量的使用陷阱之中

上面的三个特性看了一篇前辈的博客，前辈博客有更详细的介绍:
何登成的技术博客