本文主要介绍 C/C++ 编程语言中 volatile 关键字的相关知识。

1 概述

1.1 Why volatile

volatile 关键字，最早出现于 19 世纪 70 年代，被用于处理 MMIO(Memory-mapped I/O) 带来的问题。

在引入 MMIO 之后，一块内存地址既有可能是真正的内存，也有可能是映射的一个 I/O 端口。因此，读/写一个内存地址，既有可能是真正地操作内存，也有可能是读/写一个 I/O 设备。

那么 MMIO 为什么需要引入 volatile 关键字呢？我们结合下面这段示例代码进行解释：

    unsigned int *p = FunB();unsigned int a;unsigned int b;a = *p;     // 语句1b = *p;     // 语句2*p = a;     // 语句3*p = b;     // 语句4

在上述代码片段中，指针 p 既有可能指向一个内存地址，也有可能指向一个 I/O 设备。如果指针 p 指向的是 I/O 设备，那么语句 1 和语句 2 中的变量 a 和变量 b，就会接收到 I/O 设备的连续两个字节。但是，指针 p 也有可能指向内存地址，这种情况下，编译器就会进行语句优化，编译器的优化策略会判断变量 a 和变量 b 同时从同一个内存地址读取数据，因此在执行完语句 1 之后，直接将变量 a 赋值给变量 b。对于指针 p 指向 I/O 设备的这种情况，就需要防止编译器进行此优化，即不能假设指针 b 指向的内容不变（对应 volatile 关键字的易变性特性）。

同样，语句 3 和语句 4 也有类似的问题，编译器发现将变量 a 和 b 同时赋值给指针 p 是无意义的，因此可能会优化语句 3 中的赋值操作，而仅仅保留语句 4。对于指针 p 指向I/O设备的情况，也需要防止编译器将类似的写操作给优化消失了（对应 volatile 关键字的不可优化特性）。

对于 I/O 设备，编译器不能随意交互指令的顺序，因为指令顺序一变，写入 I/O 设备的内容也就发生变化了（对应 volatile 关键字的顺序性特性）。

为了满足 MMIO 的这三点需求，就有了 volatile 关键字。

1.2 IN C/C++

在 C/C++ 编程语言中，使用 volatile 关键字声明的变量（或对象）通常具有与优化、多线程相关的特殊属性。通常，volatile 关键字用来阻止（伪）编译器对其认为的、无法“被代码本身”改变的代码（变量或对象）进行优化。如在 C/C++ 编程语言中，volatile 关键字可以用来提醒编译器使用 volatile 声明的变量随时有可能改变，因此编译器在代码编译时就不会对该变量进行某些激进的优化，故而编译生成的程序在每次存储或读取该变量时，都会直接从内存地址中读取数据。相反，如果该变量没有使用 volatile 关键字进行声明，则编译器可能会优化读取和存储操作，可能暂时使用寄存器中该变量的值，而如果这个变量由别的程序（线程）更新了的话，就会出现（内存中与寄存器中的）变量值不一致的现象。

在 C/C++ 编程语言中，使用 volatile 关键字声明的变量具有三种特性：易变的、不可优化的、顺序执行的。下面分别对这三种特性进行介绍。

2 易变的

volatile 在词典中的主要释义就是“易变的”。

在 C/C++ 编程语言中，volatile 的易变性体现在：假设有读、写两条语句，依次对同一个 volatile 变量进行操作，那么后一条的读操作不会直接使用前一条的写操作对应的 volatile 变量的寄存器内容，而是重新从内存中读取该 volatile 变量的值。

上述描述的（部分）示例代码内容如下：

    volatile int nNum = 0;  // 将nNum声明为volatileint nSum = 0;nNum = FunA();      // nNum被写入的新内容，其值会缓存在寄存器中nSum = nNum + 1;    // 此处会从内存（而非寄存器）中读取nNum的值

3 不可优化的

在 C/C++ 编程语言中，volatile 的第二个特性是“不可优化性”。volatile 会告诉编译器，不要对 volatile 声明的变量进行各种激进的优化（甚至将变量直接消除），从而保证程序员写在代码中的指令一定会被执行。

上述描述的（部分）示例代码内容如下：

    volatile int nNum;  // 将nNum声明为volatilenNum = 1;printf("nNum is: %d", nNum);

在上述代码中，如果变量 nNum 没有声明为 volatile 类型，则编译器在编译过程中就会对其进行优化，直接使用常量“1”进行替换（这样优化之后，生成的汇编代码很简介，执行时效率很高）。而当使用 volatile 进行声明后，编译器则不会对其进行优化，nNum 变量仍旧存在，编译器会将该变量从内存中取出，放入寄存器之中，然后再调用 printf() 函数进行打印。

4 顺序执行的

在 C/C++ 编程语言中，volatile 的第三个特性是“顺序执行特性”，即能够保证 volatile 变量间的顺序性不会被编译器进行乱序优化。

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。

为了对本特性进行深入了解，下面以两个变量（nNum1 和 nNum2）为例（既然存在“顺序执行”，那描述对象必然大于一个），介绍 volatile 的顺序执行特性，示例代码内容如下：

    int nNum1;int nNum2;nNum2 = nNum1 + 1;    // 语句1nNum1 = 10;           // 语句2

在上述代码中：

当 nNum1 和 nNum2 都没有使用 volatile 关键字进行修饰时，编译器会对“语句1”和“语句2”的执行顺序进行优化：即先执行“语句2”、再执行“语句1”；
当 nNum2 使用 volatile 关键字进行修饰时，编译器也可能会对“语句1”和“语句2”的执行顺序进行优化：即先执行“语句2”、再执行“语句1”；
当 nNum1 和 nNum2 都使用 volatile 关键字进行修饰时，编译器不会对“语句1”和“语句2”的执行顺序进行优化：即先执行“语句1”、再执行“语句2”；

说明：上述论述可通过观察代码的生成的汇编代码进行验证。

5 volatile与多线程语义

对于多线程编程而言，在临界区内部，可以通过互斥锁（mutex）保证只有一个线程可以访问该临界区的内容，因此临界区内的变量不需要是 volatile 的；而在临界区外部，被多个线程访问的变量应声明为 volatile 的，这也符合了 volatile 的原意：防止编译器缓存（cache）被多个线程并发用到的变量。

不过，需要注意的是，由于 volatile 关键字的“顺序执行特性”并非会完全保证语句的顺序执行（如 volatile 变量与非 volatile 变量之间的操作；又如一些 CPU 也会对语句的执行顺序进行优化），因此导致了对 volatile 变量的操作并不是原子的，也不能用来为线程建立严格的 happens-before 关系。

对于上述描述，示例代码内容如下：

int nNum1 = 0;
volatile bool flag = false;thread1()
{// some codenNum1 = 666;  // 语句1flag = true;  // 语句2
}thread2()
{// some codeif (true == flag){// 语句3：按照程序设计的预想，此处的nNum1的值应为666，并据此进行逻辑设计}
}

在上述代码中，我们的设计思路是先执行 thread1() 中的“语句1”、“语句2”、再执行 thread2() 中的“语句3”，不过实际上程序的执行结果未必如此。根据前面介绍的 volatile 的“并非会完全保证语句的顺序执行”特性，非 volatile 变量 nNum1 和 volatile 变量 flag 的执行顺序，可能会被编译器（或 CPU）进行乱序优化，最终导致 thread1() 中的“语句2”先于“语句1”执行，当“语句2”执行完成但“语句1”尚未执行时，此时 thread2() 中的判断语句“if (true == flag)”是成立的，但实际上 nNum1 尚未进行赋值操作（语句 1 尚未执行），所以在判断语句中针对“nNum1 == 666”的前提下进行的逻辑设计，就会有问题了。

这是一个在多线程编程中，使用 volatile 不容易发现的问题。

实际上，上述多线程代码想实现的就是一个 happens-before 语义，即保证 thread1() 代码块中的所有代码一定要在 thread2() 代码块的第一条代码之前完成。使用互斥锁（mutex）可以保证 happens-before 语义。但是，在 C/C++ 编程语言中的 volatile 关键字不能保证这个语义，也就意味着在多线程环境下使用 C/C++ 编程语言的 volatile 关键字，如果不够细心，就可能会出现上述问题。所以，使用 C/C++ 编程语言进行多线程编程时，要慎用 volatile 关键字。

说明：由于 Java 编程语言的 volatile 关键字支持 Acquire、Release 语义，因此 Java 语言的 volatile 关键字是能够用来构建 happens-before 语义的。也就是说，前面提到的 C/C++ 编程语言 volatile 关键字在多线程编程中出现的问题，在 Java 编程语言中是不存在的。

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