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Volatile變量

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在程序設計中，尤其是在C語言、C++、C#和Java語言中，使用volatile關鍵字聲明的變量或對象通常具有與優化、多線程相關的特殊屬性。通常，volatile關鍵字是用來阻止（偽）編譯器因誤認某段程式碼無法被程式碼本身所改變，而造成的過度優化。如在C語言中，volatile關鍵字可以用來提醒編譯器它後面所定義的變量隨時有可能改變，因此編譯後的程序每次需要存儲或讀取這個變量的時候，都會直接從變量地址中讀取數據。如果沒有volatile關鍵字，則編譯器可能優化讀取和存儲，可能暫時使用寄存器中的值，如果這個變量由別的程序更新了的話，將出現不一致的現象。

在C環境中，volatile關鍵字的真實定義和適用範圍經常被誤解。雖然C++、C#和Java都保留了C中的volatile關鍵字，但在這些編程語言中volatile的用法和語義卻大相徑庭。

C和C++中的volatile

在C，以及C++中，volatile關鍵字的作用[1]：

  • 允許訪問內存映射設備
  • 允許在setjmp和longjmp之間使用變量
  • 允許在信號處理函數中使用sig_atomic_t變量

根據相關的標準（C,C++,POSIX,WIN32)和目前絕大多數實現，對volatile變量的操作並不是原子的，也不能用來為線程建立嚴格的happens-before關係。volatile關鍵字就像便攜式線程構建一樣基本沒什麼用處[1][2][3][4][5]。

Visual C++ 2005 保證volatile變量是一種內存屏障，阻止編譯器和CPU重新安排讀入和寫出語義。[6] 在先前版本的Visual C++則沒有此類保證。在其他方面將指針定義為volatile可能會影響程序的性能。例如，如果指針定義對代碼的其他地方可見，強制編譯器將指針視為屏障，就會降低程序的性能，這是完全不必要的。

對用戶定義的非基本數據類型使用volatile

基本類型的對象用volatile修飾後，仍舊支持所有的操作（加、乘、賦值等）。但是，用戶定義的非基本類型（class、struct、union）的對象被volatile修飾後，具有不同行為：

  • 只能調用volatile成員函數；即只能訪問它的接口的子集。
  • 只能通過const_cast運算符轉為沒有volatile修飾的普通對象。即由此可以獲得對類型接口的完全訪問。
  • volatile性質會傳遞給它的數據成員。

volatile與多線程語義

臨界區內部，通過互斥鎖（mutex）保證只有一個線程可以訪問，因此臨界區內的變量不需要是volatile的；而在臨界區外部，被多個線程訪問的變量應為volatile，這也符合了volatile的原意：防止編譯器緩存（cache）了被多個線程並發用到的變量。volatile對象只能調用volatile成員函數，這意味着應僅對多線程並發安全的成員函數加volatile修飾，這種volatile成員函數可自由用於多線程並發或者重入而不必使用臨界區；非volatile的成員函數意味着單線程環境，只應在臨界區內調用。在多線程編程中可以令該數據對象的所有成員函數均為普通的非volatile修飾，從而保證了僅在進入臨界區（即獲得了互斥鎖）後把該對象顯式轉為普通對象之後才能調用該數據對象的成員函數。這種用法避免了編程者的失誤——在臨界區以外訪問共享對象的內容： 

template <typename T> class LockingPtr{
  public:
    LockingPtr(volatile T& obj, Mutex& mtx)
        :pObj_(const_cast<T*>(&obj) ),  pMtx_(&mtx)
        {  mtx.Lock();  }
    ~LockingPtr()
        { pMtx->Unlock();  }
    T& operator*() 
        {  return *pObj_;  }
    T* operator->()
        {  return pObj_;   }
  private:
    T* pObj_;
    Mutex* pMtx_;
    LockingPtr(const LockingPtr&);
    LockingPtr& operator=(const LockingPtr&);
}

對於內建類型，不應直接用volatile，而應把它包裝為結構的成員，就可以保護了volatile的結構對象不被不受控制地訪問。

C語言中MMIO的例子

在這裡例子中，代碼將foo的值設置為0。然後開始不斷地輪詢它的值直到它變成255： 

static int foo;
 
void bar(void) {
    foo = 0;
 
    while (foo != 255)
         ;
}

一個執行優化的編譯器會提示沒有代碼能修改foo的值，並假設它永遠都只會是0.因此編譯器將用類似下列的無限循環替換函數體： 

void bar_optimized(void) {
    foo = 0;
 
    while (true)
         ;
}

但是，foo可能指向一個隨時都能被計算機系統其他部分修改的地址，例如一個連接到中央處理器的設備的硬件寄存器，上面的代碼永遠檢測不到這樣的修改。如果不使用volatile關鍵字，編譯器將假設當前程序是系統中唯一能改變這個值部分（這是到目前為止最廣泛的一種情況）。 為了阻止編譯器像上面那樣優化代碼，需要使用volatile關鍵字： 

static volatile int foo;
 
void bar (void) {
    foo = 0;
 
    while (foo != 255)
        ;
}

這樣修改以後循環條件就不會被優化掉，當值改變的時候系統將會檢測到。

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C語言中的優化對比

下面的C程序和後面的匯編代碼展示了volatile關鍵字如何影響編譯器的輸出。這裡使用的編譯器是GCC。

更多信息 匯編對照, 不使用volatile ...
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Java中的volatile

Java也支持 volatile 關鍵字，但它被用於其他不同的用途。當 volatile 用於一個作用域時，Java保證如下：

  1. （適用於Java所有版本）讀和寫一個 volatile 變量有全局的排序。也就是說每個線程訪問一個 volatile 作用域時會在繼續執行之前讀取它的當前值，而不是（可能）使用一個緩存的值。（但是並不保證經常讀寫 volatile 作用域時讀和寫的相對順序，也就是說通常這並不是有用的線程構建）。
  2. （適用於Java5及其之後的版本） volatile 的讀和寫建立了一個happens-before關係，類似於申請和釋放一個互斥鎖[7]。

使用volatile會比使用鎖更快，但是在一些情況下它不能工作。volatile使用範圍在Java5中得到了擴展，特別是雙重檢查鎖定現在能夠正確工作[8][9]。

Ada中的volatile

在Ada中，比起關鍵字，Volatile標記更像是一種指令。「對於volatile對象而言，所有讀和更新都會作為一個整體直接執行到內存」[10]。

參考

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外部連結

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