C/C++ Volatile关键词深度剖析

1. 背景

前几天，发了一条如下的微博 (关于C/C++ Volatile关键词的使用建议)：

 

此微博，引发了朋友们的大量讨论：赞同者有之；批评者有之；当然，更多的朋友，是希望我能更详细的解读C/C++ Volatile关键词，来佐证我的微博观点。而这，正是我写这篇博文的初衷：本文，将详细分析C/C++ Volatile关键词的功能 (有多种功能)、Volatile关键词在多线程编程中存在的问题、Volatile关键词与编译器/CPU的关系、C/C++ Volatile与Java Volatile的区别，以及Volatile关键词的起源，希望对大家更好的理解、使用C/C++ Volatile，有所帮助。

 

Volatile，词典上的解释为：易失的；易变的；易挥发的。那么用这个关键词修饰的C/C++变量，应该也能够体现出”易变”的特征。大部分人认识Volatile，也是从这个特征出发，而这也是本文揭秘的C/C++ Volatile的第一个特征。

 

 

1. Volatile：易变的

在介绍C/C++ Volatile关键词的”易变”性前，先让我们看看以下的两个代码片段，以及他们对应的汇编指令 (以下用例的汇编代码，均为VS 2008编译出来的Release版本)：

 

• 测试用例一：非Volatile变量
  

  
  

  b = a + 1;这条语句，对应的汇编指令是：lea ecx, [eax + 1]。由于变量a，在前一条语句a = fn(c)执行时，被缓存在了寄存器eax中，因此b = a + 1；语句，可以直接使用仍旧在寄存器eax中的a，来进行计算，对应的也就是汇编：[eax + 1]。
  

• 测试用例二：Volatile变量
  

与测试用例一唯一的不同之处，是变量a被设置为volatile属性，一个小小的变化，带来的是汇编代码上很大的变化。a = fn(c)执行后，寄存器ecx中的a，被写回内存：mov dword ptr [esp+0Ch], ecx。然后，在执行b = a + 1；语句时，变量a有重新被从内存中读取出来：mov eax, dword ptr [esp + 0Ch]，而不再直接使用寄存器ecx中的内容。

1. 小结

从以上的两个用例，就可以看出C/C++ Volatile关键词的第一个特性：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。

 

在了解了C/C++ Volatile关键词的”易变”特性之后，再让我们接着继续来剖析Volatile的下一个特性：”不可优化”特性。

 

1. Volatile：不可优化的

与前面介绍的”易变”性类似，关于C/C++ Volatile关键词的第二个特性：”不可优化”性，也通过两个对比的代码片段来说明：

 

• 测试用例三：非Volatile变量
  

  
  

  在这个用例中，非volatile变量a，b，c全部被编译器优化掉了 (optimize out)，因为编译器通过分析，发觉a，b，c三个变量是无用的，可以进行常量替换。最后的汇编代码相当简介，高效率。
  

• 测试用例四：Volatile变量
  

  
  

  测试用例四，与测试用例三类似，不同之处在于，a，b，c三个变量，都是volatile变量。这个区别，反映到汇编语言中，就是三个变量仍旧存在，需要将三个变量从内存读入到寄存器之中，然后再调用printf()函数。
  

 

1. 小结

从测试用例三、四，可以总结出C/C++ Volatile关键词的第二个特性：“不可优化”特性。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。相对于前面提到的第一个特性：”易变”性，”不可优化”特性可能知晓的人会相对少一些。但是，相对于下面提到的C/C++ Volatile的第三个特性，无论是”易变”性，还是”不可优化”性，都是Volatile关键词非常流行的概念。

 

1. Volatile：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。

 

回到本文背景部分我的那篇微博，我的这位朋友，正好犯了一个这样的问题。其对C/C++ Volatile关键词的使用，可以抽象为下面的伪代码：

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)。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。

 

通过将flag变量声明为volatile属性，很好的利用了本文前面提到的C/C++ Volatile的两个特性：”易变”性；”不可优化”性。按理说，这是一个对于volatile关键词的很好应用，而且看到这里的朋友，也可以去检查检查自己的代码，我相信肯定会有这样的使用存在。

 

但是，这个多线程下看似对于C/C++ Volatile关键词完美的应用，实际上却是有大问题的。问题的关键，就在于前面标红的文字：由于flag = true，那么假设Thread1中的something操作一定已经完成了。flag == true，为什么能够推断出Thread1中的something一定完成了？其实既然我把这作为一个错误的用例，答案是一目了然的：这个推断不能成立，你不能假设看到flag == true后，flag = true;这条语句前面的something一定已经执行完成了。这就引出了C/C++ Volatile关键词的第三个特性：顺序性。

 

同样，为了说明C/C++ Volatile关键词的”顺序性”特征，下面给出三个简单的用例 (注：与上面的测试用例不同，下面的三个用例，基于的是Linux系统，使用的是”GCC: (Debian 4.3.2-1.1) 4.3.2″)：

 

• 测试用例五：非Volatile变量
  

  
  

  一个简单的示例，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。
  

• 测试用例六：一个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。
  

  通过此用例，已经能够很好的说明，本章节前面，通过flag == true，来假设something一定完成是不成立的。在多线程下，如此使用volatile，会产生很严重的问题。但是，这不是终点，请继续看下面的测试用例七。
  

• 测试用例七：两个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。
  

  
  

1. happens-before

 

通过测试用例六，可以总结出：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：

由于Thread1中的代码执行顺序发生变化，flag = true被提前到something之前进行，那么整个Thread2的假设全部失效。由于something未执行，但是Thread2进入了if代码段，整个多线程代码逻辑出现问题，导致多线程完全错误。

 

细心的读者看到这里，可能要提问，根据测试用例七，C/C++ Volatile变量间，编译器是能够保证不交换顺序的，那么能不能将something中所有的变量全部设置为volatile呢？这样就阻止了编译器的乱序优化，从而也就保证了这个多线程程序的正确性。

 

针对此问题，很不幸，仍旧不行。将所有的变量都设置为volatile，首先能够阻止编译器的乱序优化，这一点是可以肯定的。但是，别忘了，编译器编译出来的代码，最终是要通过CPU来执行的。目前，市场上有各种不同体系架构的CPU产品，CPU本身为了提高代码运行的效率，也会对代码的执行顺序进行调整，这就是所谓的CPU Memory Model (CPU内存模型)。关于CPU的内存模型，可以参考这些资料：Memory Ordering From Wiki；Memory Barriers Are Like Source Control Operations From Jeff Preshing；CPU Cache and Memory Ordering From 何登成。下面，是截取自Wiki上的一幅图，列举了不同CPU架构，可能存在的指令乱序。

 

 

从图中可以看到，X86体系(X86，AMD64)，也就是我们目前使用最广的CPU，也会存在指令乱序执行的行为：StoreLoad乱序，读操作可以提前到写操作之前进行。

 

因此，回到上面的例子，哪怕将所有的变量全部都声明为volatile，哪怕杜绝了编译器的乱序优化，但是针对生成的汇编代码，CPU有可能仍旧会乱序执行指令，导致程序依赖的逻辑出错，volatile对此无能为力。

 

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。关于happens-before语义的定义，可参考文章：The Happens-Before Relation。下面，用图的形式，来展示happens-before语义：

 

 

如图所示，所谓的happens-before语义，就是保证Thread1代码块中的所有代码，一定在Thread2代码块的第一条代码之前完成。当然，构建这样的语义有很多方法，我们常用的Mutex、Spinlock、RWLock，都能保证这个语义 (关于happens-before语义的构建，以及为什么锁能保证happens-before语义，以后专门写一篇文章进行讨论)。但是，C/C++ Volatile关键词不能保证这个语义，也就意味着C/C++ Volatile关键词，在多线程环境下，如果使用的不够细心，就会产生如同我这里提到的错误。

 

1. 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。

 

1. Volatile：Java增强

 

在介绍了C/C++ Volatile关键词之后，再简单介绍一下Java的Volatile。与C/C++的Volatile关键词类似，Java的Volatile也有这三个特性，但最大的不同在于：第三个特性，”顺序性”，Java的Volatile有很极大的增强，Java Volatile变量的操作，附带了Acquire与Release语义。所谓的Acquire与Release语义，可参考文章：Acquire and Release Semantics。(这一点，后续有必要的话，可以写一篇文章专门讨论)。Java Volatile所支持的Acquire、Release语义，如下：

 

• 对于Java Volatile变量的写操作，带有Release语义，所有Volatile变量写操作之前的针对其他任何变量的读写操作，都不会被编译器、CPU优化后，乱序到Volatile变量的写操作之后执行。
  

• 对于Java Volatile变量的读操作，带有Acquire语义，所有Volatile变量读操作之后的针对其他任何变量的读写操作，都不会被编译器、CPU优化后，乱序到Volatile变量的读操作之前进行。
  

 

通过Java Volatile的Acquire、Release语义，对比C/C++ Volatile，可以看出，Java Volatile对于编译器、CPU的乱序优化，限制的更加严格了。Java Volatile变量与非Volatile变量的一些乱序操作，也同样被禁止。

 

由于Java Volatile支持Acquire、Release语义，因此Java Volatile，能够用来构建happens-before语义。也就是说，前面提到的C/C++ Volatile在多线程下错误的使用场景，在Java语言下，恰好就是正确的。如下图所示：

 

 

1. Volatile的起源

 

C/C++的Volatile关键词，有三个特性：易变性；不可优化性；顺序性。那么，为什么Volatile被设计成这样呢？要回答这个问题，就需要从Volatile关键词的产生说起。(注：这一小节的内容，参考自C++ and the Perils of Double-Checked Locking论文的第10章节：volatile：A Brief History。这是一篇顶顶好的论文，值得多次阅读，强烈推荐！)

 

Volatile关键词，最早出现于19世纪70年代，被用于处理memory-mapeed I/O (MMIO)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，也有可能被映射到一个I/O端口。相对的，读写一个内存地址，既有可能操作内存，也有可能读写的是一个I/O设备。MMIO为什么需要引入Volatile关键词？考虑如下的一个代码片段：

在此代码片段中，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(1)，(2)中的a，b，就会接收到I/O设备的连续两个字节。但是，p也有可能指向内存，此时，编译器的优化策略，就可能会判断出a，b同时从同一内存地址读取数据，在做完(1)之后，直接将a赋值给b。对于I/O设备，需要防止编译器做这个优化，不能假设指针b指向的内容不变——易变性。

 

同样，代码(3)，(4)也有类似的问题，编译器发现将a，b同时赋值给指针p是无意义的，因此可能会优化代码(3)中的赋值操作，仅仅保留代码(4)。对于I/O设备，需要防止编译器将写操作给彻底优化消失了——”不可优化”性。

 

对于I/O设备，编译器不能随意交互指令的顺序，因为顺序一变，写入I/O设备的内容也就发生变化了——”顺序性”。

 

基于MMIO的这三个需求，设计出来的C/C++ Volatile关键词，所含有的特性，也就是本文前面分析的三个特性：易变性；不可优化性；顺序性。

 

1. 参考资料

[1] Wiki. Volatile variable.

[2] Wiki. Memory ordering.

[3] Scott Meyers; Andrei Alexandrescu. C++ and the Perils of Double-Checked Locking.

[4] Jeff Preshing. Memory Barriers Are Like Source Control Operations.

[5] Jeff Preshing. The Happens-Before Relation.

[6] Jeff Preshing. Acquire and Release Semantics.

[7] 何登成. CPU Cache and Memory Ordering——并发程序设计入门.

[8] Bartosz Milewski. Who ordered sequential consistency?

[9] Andrew Haley. What are we going to do about volatile?

[10] Java Glossary. volatile.

[11] stackoverflow. Why is volatile not considered useful in multithreaded C or C++ programming?

[12] msdn. Volatile fields.

[13] msdn. volatile (C++).

[14] 刘未鹏. 《C++0x漫谈》系列之：多线程内存模型.

原文：http://hedengcheng.com/?p=725