Volatile變數

在程式設計中，尤其是在C語言、C++、C#和Java語言中，使用volatile關鍵字聲明的變數或對象通常具有與最佳化、多執行緒相關的特殊屬性。通常，volatile關鍵字用來阻止（偽）編譯器認為的無法“被代碼本身”改變的代碼（變數/對象）進行最佳化。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數隨時有可能改變，因此編譯後的程式每次需要存儲或讀取這個變數的時候，都會直接從變數地址中讀取數據。如果沒有volatile關鍵字，則編譯器可能最佳化讀取和存儲，可能暫時使用暫存器中的值，如果這個變數由別的程式更新了的話，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，但在這些程式語言中volatile的用法和語義卻大相逕庭。

基本介紹

• 中文名：Volatile變數
• 語種：C語言，C++，JAVA
• 特點：最佳化、多執行緒相關的特殊屬性

C和C++中的volatile

在C，以及C++中，volatile關鍵字的作用：

• 允許訪問記憶體映射設備
• 允許在setjmp和longjmp之間使用變數
• 允許在信號處理函式中使用sig_atomic_t變數

根據相關的標準（C,C++,POSIX,WIN32)和絕大多數實現，對volatile變數的操作並不是原子的，也不能用來為執行緒建立嚴格的happens-before關係。volatile關鍵字就像攜帶型執行緒構建一樣基本沒什麼用處。

Visual C++2005 保證volatile變數是一種記憶體屏障，阻止編譯器和CPU重新安排讀入和寫出語義。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可能會影響程式的性能。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，就會降低程式的性能，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成員函式；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與多執行緒語義

臨界區內部，通過互斥鎖（mutex）保證只有一個執行緒可以訪問，因此臨界區內的變數不需要是volatile的；而在臨界區外部，被多個執行緒訪問的變數應為volatile，這也符合了volatile的原意：防止編譯器快取（cache）了被多個執行緒並發用到的變數。volatile對象只能調用volatile成員函式，這意味著應僅對多執行緒並發安全的成員函式加volatile修飾，這種volatile成員函式可自由用於多執行緒並發或者重入而不必使用臨界區；非volatile的成員函式意味著單執行緒環境，只應在臨界區內調用。在多執行緒編程中可以令該數據對象的所有成員函式均為普通的非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式。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的值設定為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)
         ;
}

一個執行最佳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式體：

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，例如一個連線到中央處理器的設備的硬體暫存器，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式是系統中能改變這個值部分（這是到最廣泛的一種情況）。 為了阻止編譯器像上面那樣最佳化代碼，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最佳化掉，當值改變的時候系統將會檢測到。

C語言中的最佳化對比

下面的C程式和後面的彙編代碼展示了volatile關鍵字如何影響編譯器的輸出。這裡使用的編譯器是GCC。

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變數有全局的排序。也就是說每個執行緒訪問一個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）使用一個快取的值。(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執行緒構建)。
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。

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能夠正確工作。