C++雾中风景13:volatile解惑

笔者入职百度时,二面面试官的让我聊聊C++之中的volatile关键词。volatile在Java和C++之中的差别可谓是天差地别,我只是简单聊了聊Java之中的volatile,面试官对我的回答并不满意。后续学习《C++ Prmier》时,对volatile的理解也是云里雾里。入职百度之后,发现身边的同学时候对volatile也是误会颇多。(果然是“面试造核弹,工作拧螺丝”)所以笔者花了一些时间,整理了这篇文章,希望各位C++程序员能彻底厘清volatile

1.volatile的误会

volatile这个单词在英文之中的意思是:易变的,不稳定的的含义。所以顾名思义,一旦变量通过了volatile关键词修饰之后,说明变量是易变的和不稳定的。而C++之中最大的误会就是认为volatile关键词与并发编程有关,至于为何会引起这样的误会呢?笔者觉得罪魁祸首可能是下面的原因:

Java中的volatile

volatile影响最为深远的就是Java之中的功用,笔者第一次接触这个关键词也是在Java之中。(加上数目庞大的Java程序员~~)Java之中volatile的效果是:

  • 确保内存可见性 读和写一个volatile变量具有全局有序性。每个线程访问一个volatile变量时都会读取它在内存之中的当前值,而不是使用一个缓存中的值。这样能够确保当某线程对volatile变量进行了修改后,后面执行的其他线程能看到volatile变量的变动。所以在简单的多线程程序之中,volatile变量可以起到轻量级的同步作用。但是volatile关键字并不保证线程读写变量的相对顺序,所以适用场景有限。
  • 禁止指令重排序 指令重排序是JVM 为了提高程序的运行效率,在不影响单线程程序执行结果的前提下,对各种指令执行的过程进行重新排序和优化,来增加程序处理时的并行度。指令重排序在单线程下能够保证正确,但是在多线程的环境下就很难确保指令重排序的语义正确。

JDK5引入concurrent包中atomic,JDK6将synchronized关键字的性能优化后。绝大多数场景,笔者都不再推荐使用volatile这个关键字了。

MSVC 微软的锅

早期的 MSVC之中 volatile 具有ReleaseAcquire语义,这我想给许多 C++程序猿造成了误解。后续微软将这个关键字做了一个切换:volatile:ms,用加 ms 的修饰来延续之前的语义。

volatile::ms 的特殊语义

2.volatile 的作用

其实上一节对volatile 的误用做了讨论。接下来笔者来带大家看看,实际 volatile 关键字到底起到怎么样的作用。先看如下的代码:

int n = 10;                                                                                         
int main() {
    int a = n;
    int b = n;
    return 0;
}

我们将这段代码转换为汇编代码,笔者这里使用的 gcc 版本为5.4.0

汇编代码1

接下来,我们将变量添加上 volatile关键字,看看会出现什么效果:

int n = 10;                                                                                         
int main() {
    volatile int a = n;
    volatile int b = n;
    return 0;
}

重新编译这部分代码转换为汇编代码,我们来看看:

汇编代码2

看到这部分汇编代码,想必各位应该对 volatile关键词的作用应该心中有数了。volatile相当于显式的要求编译器禁止对 volatile 变量进行优化,并且要求每个变量赋值时,需要显式从寄存器%eax拷贝。volatile 关键字在嵌入式编程之中会需要用到,在特定环境下,寄存器的变量可能会发生变化。volatile 所以声明了寄存器部分的数据是『易变的』,需要防止编译器优化变量,强制载入寄存器。

但是如果需要实现类似 Java 之中 volatile 的效果呢?可以在代码之中显式插入内存屏障,让 CPU 强制刷新寄存器的变量到内存之中。

int n = 10;                                                                                         
int main() {
    volatile int a = n;
    asm volatile("" ::: "memory");
    volatile int b = n;
    return 0;
}

现在我们再来看看编译生成的汇编代码:

汇编代码3

由上述的汇编代码我们可以看到,在添加了内存屏障之后,对变量的赋值操作需要显式的内存之中取值。实际 Java 在实现 volatile 关键字时,也是通过上述语句来实现的。

3.小结

volatile 关键字本身在 现代的C++和 Java 之中都不再推荐使用了。在 C++之中有很多对 volatile 的误用。希望这篇文章能够帮助大家解惑 volatile ,能够正确的进行使用。学有不精,如有谬误,请多多指教~~~

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