C語言volatile關鍵字的作用與示例
寫在前面
版本信息：Linux操作系統(tǒng)，x86架構，Linux操作系統(tǒng)下GCC9.3.1版本。GCC 9.3.0手冊。
看了外面很多寫volatile的文章，筆者算是認為“亂七八糟”，根本沒有任何論證就在下定義，所以筆者特意寫這篇關于volatile的文章。
先看一下GCC文檔給的volatile說明：
一言以蔽之：讓編譯器不再去優(yōu)化被volatile修飾的變量的操作。但是volatile并不能做內存屏障的功能，想使用內存屏障請使用平臺相關的屏障指令，比如GCC提供了一個內聯asm volatile ("" : : : "memory");的編譯器屏障。詳情平臺相關的內存屏障請關注特定平臺的操作手冊~！
筆者有在很多帖子里面看過，他們都一致的說到：volatile可以作為內存屏障保證內存的可見性，這壓根就是一個錯誤的引導，所以這也促使筆者寫在這篇文章。
既然上述說明了volatile關鍵字可以避免編譯器優(yōu)化，那么下面筆者用2個列子來說明一下。
// 沒優(yōu)化： int a = 10; int b = a; int c = a; int d = a; // 對應的匯編代碼 sub 16,esp // 開辟棧幀 mov $10,(esp-12) // 把立即數10放入到esp-12的棧幀位置，這也對應a變量。 mov (esp-12) (esp-8) // 把(esp-12)的值放入到(esp-8)的位置，這也對應b變量 mov (esp-12) (esp-4) // 把(esp-12)的值放入到(esp-4)的位置，這也對應c變量 mov (esp-12) (esp) // 把(esp-12)的值放入到(esp)的位置，這也對應d變量 // 總結，每次從內存中拿
比如這個很簡單的列子，定義一個變量a，然后把a賦值給b、c、d。
看匯編代碼，可以清楚的看到，每次賦值都是從內存地址中拿去值，這也就需要訪問多次內存。影響到代碼的執(zhí)行效率。那么，編譯器會如何優(yōu)化呢？
既然b、c、d都使用的a變量，而A變量為10，那么可不可以這樣寫呢？
// 優(yōu)化： int a = 10; int b = 10; int c = 10; int d = 10; // 對應的匯編代碼： sub 16,esp // 開辟棧幀 mov $10,(esp-12) // 把立即數10放入到esp-12的棧幀位置，這也對應a變量。 mov (esp-12),eax // 把esp-12的棧幀位置對應的值，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，這也對應b變量 mov eax (esp-4) // 把eax寄存器的值放入到(esp-4)的位置，這也對應c變量 mov eax (esp) // 把eax寄存器的值放入到(esp)的位置，這也對應d變量 // 總結，每次從eax寄存器拿，此時，可以把eax想成一個緩存寄存器。
可以從匯編代碼看出，把a變量的值放入到eax寄存器中，然后把eax寄存器的值賦值給b、c、d變量，這樣就只需要訪問一次內存了。此時，我們需要考慮，假如賦值b、c、d的過程中，a的值發(fā)生了改變了呢？那么對于b、c、d來說還是賦值的原值，所以就出現了問題。
這是一個很簡單的編譯器優(yōu)化的例子，代碼就是假設的代碼，匯編也是偽匯編，那么，為得到讀者的認可，筆者也是寫了一個真實的案例。
// demo.c案例
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <errno.h>
/*全局變量*/
int gnum = 1;
/*線程1的服務程序*/
static void pthread_func_1 (void)
{
while(gnum == 1){
}
}
int main (void)
{
/*線程的標識符*/
pthread_t pt_1 = 0;
int ret = 0;
/*
創(chuàng)建線程1
*/
ret = pthread_create( &pt_1, //線程標識符指針
NULL, //默認屬性
(void *)pthread_func_1,//運行函數
NULL); //無參數
if (ret != 0)
{
perror ("pthread_1_create");
}
/* 主線程停1秒，讓p1線程成功被CPU調度 */
sleep(1);
/* 改變全局屬性gnum的值，讓p1線程停下來。 */
gnum = 0;
/* 等待線程1的結束 */
pthread_join (pt_1, NULL);
printf ("main programme exit!/n");
return 0;
}
這段代碼很簡單，使用pthread創(chuàng)建一個p1線程，p1線程里面寫了一個while循環(huán)，循環(huán)條件是判斷全局變量gnum是否為1。main線程啟動p1線程，同時main線程休眠1秒，讓p1線程得到CPU的調度，然后把全局變量gnum設置為0，讓p1線程的while結束。main線程使用join等待p1線程執(zhí)行結束，p1線程結束后main線程打印main programme exit。
gcc普通編譯：
// gcc普通編譯后 gcc -pthread demo.c // objdump指令查看反匯編 objdump -S a.out // 反編譯后p1線程代碼段的匯編代碼 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> // 每次還從0x2009bc(%rip)獲取全局的gnum變量放入eax寄存器 400698: 83 f8 01 cmp $0x1,%eax // 拿1和eax寄存器做比較，比較結果放入到flags寄存器中。 40069b: 74 f5 je 400692 <pthread_func_1+0x5> // 如果比較成功就直接跳到400692這行代碼段地址，如果不成功就直接往下執(zhí)行 40069d: 5d pop %rbp 40069e: c3 retq
可以清楚的看到每次都是從0x2009bc(%rip)獲取值給%eax寄存器，然后cmp做比較，je是成功就跳轉到400692代碼段地址。然后繼續(xù)mov獲取值，cmp比較，je跳轉，周而復始......
gcc -O4編譯：
// gcc -O4編譯后 gcc -O4 -pthread demo.c // objdump指令查看反匯編 objdump -S a.out // 反編譯后p1線程代碼段的匯編代碼 00000000004006f0 <pthread_func_1>: 4006f0: 83 3d 69 09 20 00 01 cmpl $0x1,0x200969(%rip) # 601060 <gnum> // 比較一次，把結果放入到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> // 一直循環(huán)本行，也就是直接無腦死循環(huán)（沒有退出條件的死循環(huán)） 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)
這里執(zhí)行的話就直接死循環(huán)了。
這里也比較直觀，cmpl比較一次，如果不等于就jne直接返回，如果等于就執(zhí)行jmp 4006f9，就開始無退出條件的死循環(huán)了，不管你后續(xù)全局變量gnum值是否改變都無條件死循環(huán)。所以這就是編譯器優(yōu)化，導致的問題，那么使用volatile修飾全局變量gnum，看看效果。
volatile修飾后gcc -O4編譯：
// volatile修飾后gcc -O4編譯： gcc -O4 -pthread demo.c // objdump指令查看反匯編 objdump -S a.out // 反編譯后p1線程代碼段的匯編代碼 00000000004006f0 <pthread_func_1>: 4006f0: 8b 05 5e 09 20 00 mov 0x20095e(%rip),%eax # 601054 <gnum> // 每次從0x20095e(%rip)獲取全局的gnum變量放入eax寄存器 4006f6: 83 f8 01 cmp $0x1,%eax // 拿1和eax寄存器做比較，比較結果放入到flags寄存器中。 4006f9: 74 f5 je 4006f0 <pthread_func_1> // 如果比較成功就直接跳到4006f0這行代碼段地址，如果不成功就直接往下執(zhí)行 4006fb: f3 c3 repz retq 4006fd: 0f 1f 00 nopl (%rax)
volatile 和gcc的O4優(yōu)化后的代碼特別特別的精簡。可以清楚的看到mov 0x20095e(%rip),%eax每次都從0x20095e(%rip)地址獲取變量給eax寄存器，然后cmp比較，je跳轉。所以這跟普通編譯的寫法是是一樣的（單指操作被volatile修飾的變量）
內聯匯編volatile修飾后gcc -O4編譯：
int gnum = 1;
/*線程1的服務程序*/
static void pthread_func_1 (void)
{
while(gnum == 1){
__asm__ __volatile__("": : :"memory")
}
}// 使用內聯匯編volatile編譯器優(yōu)化： gcc -O4 -pthread demo.c // objdump指令查看反匯編 objdump -S a.out // 反編譯后p1線程代碼段的匯編代碼 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)全局變量gnum的值和1比較。 4006ff: 74 f7 je 4006f8 <pthread_func_1+0x8> // 如果相等就跳轉到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)
這里cmpl直接比較，然后je跳轉。比較精簡。每次也是從0x200961(%rip)地址獲取最新值。所以不會出現無條件的死循環(huán)的情況。
volatile和內聯匯編的volatile的選擇
在Linux內核中，禁止volatile關鍵字的出現，但是里面都是使用內聯匯編volatile的形式禁止編譯器優(yōu)化，當然內存屏障也是可以禁止編譯器優(yōu)化的（對于內存屏障這里點到即可，詳情看不同平臺的操作手冊）。當然Linux內核代碼量特別大，如果很多地方不讓編譯器優(yōu)化的話，效率會降低，一個操作系統(tǒng)如果性能都不行，那肯定是說不過去的。
如下圖所示：使用了volatile修飾的變量在不同的代碼段之間執(zhí)行都會影響到代碼段的優(yōu)化，而內聯匯編volatile就可以按需選擇，就不會全部影響到。所以讀者可以按需選擇。
到此這篇關于C語言volatile關鍵字的作用與示例的文章就介紹到這了,更多相關C語言volatile關鍵字內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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