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關鍵字是用來阻止（偽）編譯器因誤認某段程式碼無法被程式碼本身所改變，而造成的過度優化。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儲存或讀取這個變數的時候，都會直接從變數位址中讀取資料。如果沒有volatile關鍵字，則編譯器可能最佳化讀取和儲存，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的用法和語意卻大相逕庭。

C和C++中的volatile

在C，以及C++中，volatile關鍵字的作用：

• 允許訪問主記憶體對映裝置
• 允許在setjmp和longjmp之間使用變數
• 允許在訊號處理常式中使用sig_atomic_t變數

根據相關的標準（C,C++,POSIX,WIN32)和目前絕大多數實現，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關鍵字就像可攜式執行緒構建一樣基本沒什麼用處。

Visual C++ 2005 保證volatile變數是一種主記憶體屏障，阻止編譯器和CPU重新安排讀入和寫出語意。 在先前版本的Visual C++則沒有此類保證。在其他方面將指標定義為volatile可能會影響程式的效能。例如，如果指標定義對代碼的其他地方可見，強制編譯器將指標視為屏障，就會降低程式的效能，這是完全不必要的。

對使用者定義的非基本資料類型使用volatile

基本類型的對象用volatile修飾後，仍舊支援所有的操作（加、乘、賦值等）。但是，使用者定義的非基本類型（class、struct、union）的對象被volatile修飾後，具有不同行為：

• 只能呼叫volatile成員函式；即只能訪問它的介面的子集。
• 只能通過const_cast運算子轉為沒有volatile修飾的普通對象。即由此可以獲得對類型介面的完全訪問。
• volatile性質會傳遞給它的資料成員。

volatile與多執行緒語意

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）了被多個執行緒並行用到的變數。volatile對象只能呼叫volatile成員函式，這意味著應僅對多執行緒並行安全的成員函式加volatile修飾，這種volatile成員函式可自由用於多執行緒並行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，只應在臨界區內呼叫。在多執行緒編程中可以令該資料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呼叫該資料對象的成員函式。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迴圈替換函式體：

void bar_optimized(void) {
    foo = 0;
 
    while (true)
         ;
}

但是，foo可能指向一個隨時都能被電腦系統其他部分修改的位址，例如一個連接到中央處理器的裝置的硬體暫存器，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唯一能改變這個值部分（這是到目前為止最廣泛的一種情況）。 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)
        ;
}

這樣修改以後迴圈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程式和後面的組譯代碼展示了volatile關鍵字如何影響編譯器的輸出。這裡使用的編譯器是GCC。

組譯對照
不使用volatile	使用volatile
#include <stdio.h> int main() { int a = 10, b = 100, c = 0, d = 0; printf("%d", a + b); a = b; c = b; d = b; printf("%d", c + d); return 0; }	#include <stdio.h> int main() { volatile int a = 10, b = 100, c = 0, d = 0; printf("%d", a + b); a = b; c = b; d = b; printf("%d", c + d); return 0; }
gcc -O3 -S without.c -o without.s	gcc -S with.c -o with.s
.file "without.c" .section .rodata.str1.1,"aMS",@progbits,1 .LC0: .string "%d" .text .p2align 4,,15 .globl main .type main, @function main: leal 4(%esp), %ecx andl $-16, %esp pushl -4(%ecx) pushl %ebp movl %esp, %ebp pushl %ecx subl $20, %esp movl $110, 4(%esp) movl $.LC0, (%esp) call printf movl $200, 4(%esp) movl $.LC0, (%esp) call printf addl $20, %esp xorl %eax, %eax popl %ecx popl %ebp leal -4(%ecx), %esp ret .size main, .-main .ident "GCC: (GNU) 4.2.1 20070719 [FreeBSD]"	.file "with.c" .section .rodata.str1.1,"aMS",@progbits,1 .LC0: .string "%d" .text .p2align 4,,15 .globl main .type main, @function main: leal 4(%esp), %ecx andl $-16, %esp pushl -4(%ecx) pushl %ebp movl %esp, %ebp pushl %ecx subl $36, %esp movl $10, -8(%ebp) movl $100, -12(%ebp) movl $0, -16(%ebp) movl $0, -20(%ebp) movl -8(%ebp), %edx movl -12(%ebp), %eax movl $.LC0, (%esp) addl %edx, %eax movl %eax, 4(%esp) call printf movl -12(%ebp), %eax movl %eax, -8(%ebp) movl -12(%ebp), %eax movl %eax, -16(%ebp) movl -12(%ebp), %eax movl %eax, -20(%ebp) movl -16(%ebp), %edx movl -20(%ebp), %eax movl $.LC0, (%esp) addl %edx, %eax movl %eax, 4(%esp) call printf addl $36, %esp xorl %eax, %eax popl %ecx popl %ebp leal -4(%ecx), %esp ret .size main, .-main .ident "GCC: (GNU) 4.2.1 20070719 [FreeBSD]"

Java中的volatile

Java也支援 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 變數有全域的排序。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中得到了擴充，特別是雙重檢查鎖定現在能夠正確工作。

Ada中的volatile

在Ada中，比起關鍵字，Volatile標記更像是一種指令。「對於volatile對象而言，所有讀和更新都會作為一個整體直接執行到主記憶體」。

外部連結

• Ada Reference Manual C.6: Shared Variable Control （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）