C语言volatile关键字的作用与示例
写在前面
版本信息：linux操作系统，x86架构，Linux操作系统下GCC9.3.1版本。GCC 9.3.0手册。
看了外面很多写volatile的文章，笔者算是认为“乱七八糟”，根本没有任何论证就在下定义，所以笔者特意写这篇关于volatile的文章。
先看一下GCC文档给的volatile说明：
一言以蔽之：让编译器不再去优化被volatile修饰的变量的操作。但是volatile并不能做内存屏障的功能，想使用内存屏障请使用平台相关的屏障指令，比如GCC提供了一个内联asm volatile ("" : : : "memory");的编译器屏障。详情平台相关的内存屏障请关注特定平台的操作手册~！
笔者有在很多帖子里面看过，他们都一致的说到：volatile可以作为内存屏障保证内存的可见性，这压根就是一个错误的引导，所以这也促使笔者写在这篇文章。
既然上述说明了volatile关键字可以避免编译器优化，那么下面笔者用2个列子来说明一下。
// 没优化：
int a = 10;
int b = a;
int c = a;
int d = a;
// 对应的汇编代码
sub 16,esp // 开辟栈帧
mov $10,(esp-12) // 把立即数10放入到esp-12的栈帧位置，这也对应a变量。
mov (esp-12) (esp-8) // 把(esp-12)的值放入到(esp-8)的位置，这也对应b变量
mov (esp-12) (esp-4) // 把(esp-12)的值放入到(esp-4)的位置，这也对应c变量
mov (esp-12) (esp) // 把(esp-12)的值放入到(esp)的位置，这也对应d变量
// 总结，每次从内存中拿比如这个很简单的列子，定义一个变量a，然后把a赋值给b、c、d。
看汇编代码，可以清楚的看到，每次赋值都是从内存地址中拿去值，这也就需要访问多次内存。影响到代码的执行效率。那么，编译器会如何优化呢？
既然b、c、d都使用的a变量，而A变量为10，那么可不可以这样写呢？
// 优化：
int a = 10;
int b = 10;
int c = 10;
int d = 10;
// 对应的汇编代码：
sub 16,esp // 开辟栈帧
mov $10,(esp-12) // 把立即数10放入到esp-12的栈帧位置，这也对应a变量。
mov (esp-12),eax // 把esp-12的栈帧位置对应的值，也就是10放入到eax寄存器中。
mov eax (esp-8) // 把eax寄存器的值放入到(esp-8)的位置，这也对应b变量
mov eax (esp-4) // 把eax寄存器的值放入到(esp-4)的位置，这也对应c变量
mov eax (esp) // 把eax寄存器的值放入到(esp)的位置，这也对应d变量
// 总结，每次从eax寄存器拿，此时，可以把eax想成一个缓存寄存器。可以从汇编代码看出，把a变量的值放入到eax寄存器中，然后把eax寄存器的值赋值给b、c、d变量，这样就只需要访问一次内存了。此时，我们需要考虑，假如赋值b、c、d的过程中，a的值发生了改变了呢？那么对于b、c、d来说还是赋值的原值，所以就出现了问题。
这是一个很简单的编译器优化的例子，代码就是假设的代码，汇编也是伪汇编，那么，为得到读者的认可，笔者也是写了一个真实的案例。
// demo.c案例
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>
int gnum = 1;
static void pthread_func_1 (void)
{
while(gnum == 1){
}
}
int main (void)
{
pthread_t pt_1 = 0;
int ret = 0;
ret = pthread_create( &pt_1, //线程标识符指针
NULL, //默认属性
(void *)pthread_func_1,//运行函数
NULL); //无参数
if (ret != 0)
{
perror ("pthread_1_create");
}
sleep(1);
gnum = 0;
pthread_join (pt_1, NULL);
printf ("main programme exit!/n");
return 0;
}
这段代码很简单，使用pthread创建一个p1线程，p1线程里面写了一个while循环，循环条件是判断全局变量gnum是否为1。main线程启动p1线程，同时main线程休眠1秒，让p1线程得到CPU的调度，然后把全局变量gnum设置为0，让p1线程的while结束。main线程使用join等待p1线程执行结束，p1线程结束后main线程打印main programme exit。
gcc普通编译：
// gcc普通编译后
gcc -pthread demo.c
// objdump指令查看反汇编
objdump -S a.out
// 反编译后p1线程代码段的汇编代码
000000000040068d <pthread_func_1>:
40068d: 55 push %rbp
40068e: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
400691: 90 nop
400692: 8b 05 bc 09 20 00 mov 0x2009bc(%rip),%eax # 601054 <gnum> // 每次还从0x2009bc(%rip)获取全局的gnum变量放入eax寄存器
400698: 83 f8 01 cmp $0x1,%eax // 拿1和eax寄存器做比较，比较结果放入到flags寄存器中。
40069b: 74 f5 je 400692 <pthread_func_1+0x5> // 如果比较成功就直接跳到400692这行代码段地址，如果不成功就直接往下执行
40069d: 5d pop %rbp
40069e: c3 retq 可以清楚的看到每次都是从0x2009bc(%rip)获取值给%eax寄存器，然后cmp做比较，je是成功就跳转到400692代码段地址。然后继续mov获取值，cmp比较，je跳转，周而复始......
gcc -O4编译：
// gcc -O4编译后
gcc -O4 -pthread demo.c
// objdump指令查看反汇编
objdump -S a.out
// 反编译后p1线程代码段的汇编代码
00000000004006f0 <pthread_func_1>:
4006f0: 83 3D 69 09 20 00 01 cmpl $0x1,0x200969(%rip) # 601060 <gnum> // 比较一次，把结果放入到flags寄存器中
4006f7: 75 07 jne 400700 <pthread_func_1+0x10> // 如果不等于就直接退出
4006f9: eb fe jmp 4006f9 <pthread_func_1+0x9> // 一直循环本行，也就是直接无脑死循环（没有退出条件的死循环）
4006fb: 0f 1f 44 00 00 nopl 0x0(%rax,%rax,1)
400700: f3 c3 repz retq
400702: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nopw %cs:0x0(%rax,%rax,1)
400709: 00 00 00
40070c: 0f 1f 40 00 nopl 0x0(%rax)这里执行的话就直接死循环了。
这里也比较直观，cmpl比较一次，如果不等于就jne直接返回，如果等于就执行jmp 4006f9，就开始无退出条件的死循环了，不管你后续全局变量gnum值是否改变都无条件死循环。所以这就是编译器优化，导致的问题，那么使用volatile修饰全局变量gnum，看看效果。
volatile修饰后gcc -O4编译：
// volatile修饰后gcc -O4编译：
gcc -O4 -pthread demo.c
// objdump指令查看反汇编
objdump -S a.out
// 反编译后p1线程代码段的汇编代码
00000000004006f0 <pthread_func_1>:
4006f0: 8b 05 5e 09 20 00 mov 0x20095e(%rip),%eax # 601054 <gnum> // 每次从0x20095e(%rip)获取全局的gnum变量放入eax寄存器
4006f6: 83 f8 01 cmp $0x1,%eax // 拿1和eax寄存器做比较，比较结果放入到flags寄存器中。
4006f9: 74 f5 je 4006f0 <pthread_func_1> // 如果比较成功就直接跳到4006f0这行代码段地址，如果不成功就直接往下执行
4006fb: f3 c3 repz retq
4006fd: 0f 1f 00 nopl (%rax)volatile 和gcc的O4优化后的代码特别特别的精简。可以清楚的看到mov 0x20095e(%rip),%eax每次都从0x20095e(%rip)地址获取变量给eax寄存器，然后cmp比较，je跳转。所以这跟普通编译的写法是是一样的（单指操作被volatile修饰的变量）
内联汇编volatile修饰后gcc -O4编译：
int gnum = 1;
static void pthread_func_1 (void)
{
while(gnum == 1){
__asm__ __volatile__("": : :"memory")
}
}// 使用内联汇编volatile编译器优化：
gcc -O4 -pthread demo.c
// objdump指令查看反汇编
objdump -S a.out
// 反编译后p1线程代码段的汇编代码
00000000004006f0 <pthread_func_1>:
4006f0: eb 06 jmp 4006f8 <pthread_func_1+0x8>
4006f2: 66 0f 1f 44 00 00 nopw 0x0(%rax,%rax,1)
4006f8: 83 3d 61 09 20 00 01 cmpl $0x1,0x200961(%rip) # 601060 <gnum> // 拿0x200961(%rip)全局变量gnum的值和1比较。
4006ff: 74 f7 je 4006f8 <pthread_func_1+0x8> // 如果相等就跳转到4006f8。
400701: f3 c3 repz retq
400703: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nopw %cs:0x0(%rax,%rax,1)
40070a: 00 00 00
40070d: 0f 1f 00 nopl (%rax)这里cmpl直接比较，然后je跳转。比较精简。每次也是从0x200961(%rip)地址获取最新值。所以不会出现无条件的死循环的情况。
volatile和内联汇编的volatile的选择
在Linux内核中，禁止volatile关键字的出现，但是里面都是使用内联汇编volatile的形式禁止编译器优化，当然内存屏障也是可以禁止编译器优化的（对于内存屏障这里点到即可，详情看不同平台的操作手册）。当然Linux内核代码量特别大，如果很多地方不让编译器优化的话，效率会降低，一个操作系统如果性能都不行，那肯定是说不过去的。
如下图所示：使用了volatile修饰的变量在不同的代码段之间执行都会影响到代码段的优化，而内联汇编volatile就可以按需选择，就不会全部影响到。所以读者可以按需选择。
到此这篇关于C语言volatile关键字的作用与示例的文章就介绍到这了,更多相关C语言volatile关键字内容请搜索以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持！
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