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C++雾中风景13:volatile解惑

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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Release和Acquire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。

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**：

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：

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：

**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。