前言
近期看到C++標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)volatile關(guān)鍵字的定義，發(fā)現(xiàn)和java的volatile關(guān)鍵字完全不一樣，C++的volatile對(duì)并發(fā)編程基本沒(méi)有幫助。網(wǎng)上也看到很多關(guān)于volatile的誤解，于是決定寫(xiě)這篇文章詳細(xì)解釋一下volatile的作用到底是什么。
為什么用volatile?
C/C++ 中的 volatile 關(guān)鍵字和 const 對(duì)應(yīng)，用來(lái)修飾變量，通常用于建立語(yǔ)言級(jí)別的 memory barrier。這是 BS 在 "The C++ Programming Language" 對(duì) volatile 修飾詞的說(shuō)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.
volatile 關(guān)鍵字是一種類型修飾符，用它聲明的類型變量表示可以被某些編譯器未知的因素更改，比如：操作系統(tǒng)、硬件或者其它線程等。遇到這個(gè)關(guān)鍵字聲明的變量，編譯器對(duì)訪問(wèn)該變量的代碼就不再進(jìn)行優(yōu)化，從而可以提供對(duì)特殊地址的穩(wěn)定訪問(wèn)。聲明時(shí)語(yǔ)法：int volatile vInt; 當(dāng)要求使用 volatile 聲明的變量的值的時(shí)候，系統(tǒng)總是重新從它所在的內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，即使它前面的指令剛剛從該處讀取過(guò)數(shù)據(jù)。而且讀取的數(shù)據(jù)立刻被保存。
編譯器對(duì)代碼的優(yōu)化
在講volatile關(guān)鍵字之前，先講一下編譯器的優(yōu)化。
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int main() { int i = 0; i++; cout << "hello world" << endl;} |
按照代碼，這個(gè)程序會(huì)在內(nèi)存中預(yù)留int大小的空間，初始化這段內(nèi)存為0，然后這段內(nèi)存中的數(shù)據(jù)加1，最后輸出“hello world”到標(biāo)準(zhǔn)輸出中。但是根據(jù)這段代碼編譯出來(lái)的程序（加-O2選項(xiàng)），不會(huì)預(yù)留int大小的內(nèi)存空間，更不會(huì)對(duì)內(nèi)存中的數(shù)字加1。他只會(huì)輸出“hello world”到標(biāo)準(zhǔn)輸出中。
其實(shí)不難理解，這個(gè)是編譯器為了優(yōu)化代碼，修改了程序的邏輯。實(shí)際上C++標(biāo)準(zhǔn)是允許寫(xiě)出來(lái)的代碼和實(shí)際生成的程序不一致的。雖說(shuō)優(yōu)化代碼是件好事情，但是也不能讓編譯器任意修改程序邏輯，不然的話我們沒(méi)辦法寫(xiě)可靠的程序了。所以C++對(duì)這種邏輯的改寫(xiě)是有限制的，這個(gè)限制就是在編譯器修改邏輯后，程序?qū)ν饨绲腎O依舊是不變的。怎么理解呢？實(shí)際上我們可以把我們寫(xiě)出來(lái)的程序看做是一個(gè)黑匣子，如果按照相同的順序輸入相同的輸入，他就每次都會(huì)以同樣的順序給出同樣的輸出。這里的輸入輸出包括了標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)IO、甚至一些system call等等，所有程序外部的事物都包含在內(nèi)。所以對(duì)于程序使用者來(lái)說(shuō)，只要兩個(gè)黑匣子的輸入輸出是完全一致的，那么這兩個(gè)黑匣子是一致的，所以編譯器可以在這個(gè)限制下任意改寫(xiě)程序的邏輯。
volatile關(guān)鍵字的作用
不知道有沒(méi)有注意到，剛剛提到輸入輸出的時(shí)候，并沒(méi)有提到內(nèi)存，事實(shí)上，程序?qū)ψ约簝?nèi)存的操作不屬于外部的輸入輸出。這也是為什么在上述例子中，編譯器可以去除對(duì)i變量的操作。但是這又會(huì)出現(xiàn)一個(gè)麻煩，有些時(shí)候操作系統(tǒng)會(huì)把一些硬件映射到內(nèi)存上，讓程序通過(guò)對(duì)內(nèi)存的操作來(lái)操作這個(gè)硬件，比如說(shuō)把磁盤(pán)空間映射到內(nèi)存中。那么對(duì)這部分內(nèi)存的操作實(shí)際上就屬于對(duì)程序外部的輸入輸出了。對(duì)這部分內(nèi)存的操作是不能隨便修改順序的，更不能忽略。這個(gè)時(shí)候volatile就可以派上用場(chǎng)了。按照C++標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于glvalue的volatile變量進(jìn)行操作，與其他輸入輸出一樣，順序和內(nèi)容都是不能改變的。這個(gè)結(jié)果就像是把對(duì)volatile的操作看做程序外部的輸入輸出一樣。（glvalue是值類別的一種，簡(jiǎn)單說(shuō)就是內(nèi)存上分配有空間的對(duì)象，更詳細(xì)的請(qǐng)看我的另一篇文章。）
按照C++標(biāo)準(zhǔn)，這是volatile唯一的功能，但是在一些編譯器（如，MSVC）中，volatile還有線程同步的功能，但這就是編譯器自己的拓展了，并不能跨平臺(tái)應(yīng)用。
對(duì)volatile常見(jiàn)的誤解
實(shí)際上“volatile可以在線程間同步”也是比較常見(jiàn)的誤解。比如以下的例子：
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class AObject{public: void wait() { m_flag = false; while (!m_flag) { this_thread::sleep(1000ms); } } void notify() { m_flag = true; }private: volatile bool m_flag;};AObject obj;...// Thread 1...obj.wait();...// Thread 2...obj.notify();... |
對(duì)volatile有誤解的人，或者對(duì)并發(fā)編程不了解的人可能會(huì)覺(jué)得這段邏輯沒(méi)什么問(wèn)題，可能會(huì)認(rèn)為volatile保證了，wait()對(duì)m_flag的讀取，notify()對(duì)m_flag的寫(xiě)入，所以Thread 1能夠正常醒來(lái)。實(shí)際上并不是，Thread 1可能永遠(yuǎn)看不到m_flag變成true。因?yàn)樵诙嗪薈PU中，每個(gè)CPU都有自己的緩存。緩存中存有一部分內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，CPU要對(duì)內(nèi)存讀取與存儲(chǔ)的時(shí)候都會(huì)先去操作緩存，而不會(huì)直接對(duì)內(nèi)存進(jìn)行操作。所以多個(gè)CPU“看到”的內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是不一樣的，這個(gè)叫做內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題（memory visibility）。并發(fā)編程下，一個(gè)程序可以有多個(gè)線程在不同的CPU核中同時(shí)運(yùn)行，這個(gè)時(shí)候內(nèi)存可見(jiàn)性就會(huì)影響程序的正確性。放到例子中就是，Thread 2修改了m_flag對(duì)應(yīng)的內(nèi)存，但是Thread 1在其他CPU核上運(yùn)行，而兩個(gè)CPU緩存和內(nèi)存沒(méi)有做同步，導(dǎo)致Thread 1運(yùn)行的核上看到的一直都是舊的數(shù)據(jù)，于是Thread 1永遠(yuǎn)都不能醒來(lái)。內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題不是多線程環(huán)境下會(huì)遇到的唯一的問(wèn)題，CPU的亂序執(zhí)行也會(huì)導(dǎo)致一些意想不到的事情發(fā)生，關(guān)于這點(diǎn)volatile能做的也是有限的。這些都是屬于并發(fā)編程的內(nèi)容，在此我就不多做展開(kāi)，總之volatile關(guān)鍵字對(duì)并發(fā)編程基本是沒(méi)有幫助的。
那么用不了volatile，我們?cè)撛趺葱薷纳厦娴睦樱緾++11開(kāi)始有一個(gè)很好用的庫(kù)，那就是atomic類模板，在<atomic>頭文件中，多個(gè)線程對(duì)atomic對(duì)象進(jìn)行訪問(wèn)是安全的。以下為修改后的代碼：
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class AObject{public: void wait() { m_flag = false; while (!m_flag) { this_thread::sleep(1000ms); } } void notify() { m_flag = true; }private: atomic<bool> m_flag;}; |
只要把“volatile bool”替換為“atomic<bool>”就可以。<atomic>頭文件也定義了若干常用的別名，例如“atomic<bool>”就可以替換為“atomic_bool”。atomic模板重載了常用的運(yùn)算符，所以atomic<bool>使用起來(lái)和普通的bool變量差別不大。一些atomic的高級(jí)用法，由于要涉及到C++的內(nèi)存模型與并發(fā)編程，我就不在此展開(kāi)了，以后有時(shí)間再補(bǔ)上。
總結(jié)
以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，如果有疑問(wèn)大家可以留言交流，謝謝大家對(duì)服務(wù)器之家的支持。
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