谈谈C++的volatile关键字以及常见的误解

近期看到C++标准中对volatile关键字的定义，发现和java的volatile关键字完全不一样，C++的volatile对并发编程基本没有帮助。网上也看到很多关于volatile的误解，于是决定写这篇文章详细解释一下volatile的作用到底是什么。

编译器对代码的优化

在讲volatile关键字之前，先讲一下编译器的优化。

int main() {
    int i = 0;
    i++;
    cout << "hello world" << endl;
}

按照代码，这个程序会在内存中预留int大小的空间，初始化这段内存为0，然后这段内存中的数据加1，最后输出“hello world”到标准输出中。但是根据这段代码编译出来的程序（加-O2选项），不会预留int大小的内存空间，更不会对内存中的数字加1。他只会输出“hello world”到标准输出中。

其实不难理解，这个是编译器为了优化代码，修改了程序的逻辑。实际上C++标准是允许写出来的代码和实际生成的程序不一致的。虽说优化代码是件好事情，但是也不能让编译器任意修改程序逻辑，不然的话我们没办法写可靠的程序了。所以C++对这种逻辑的改写是有限制的，这个限制就是在编译器修改逻辑后，程序对外界的IO依旧是不变的。怎么理解呢？实际上我们可以把我们写出来的程序看做是一个黑匣子，如果按照相同的顺序输入相同的输入，他就每次都会以同样的顺序给出同样的输出。这里的输入输出包括了标准输入输出、文件系统、网络IO、甚至一些system call等等，所有程序外部的事物都包含在内。所以对于程序使用者来说，只要两个黑匣子的输入输出是完全一致的，那么这两个黑匣子是一致的，所以编译器可以在这个限制下任意改写程序的逻辑。

volatile关键字的作用

不知道有没有注意到，刚刚提到输入输出的时候，并没有提到内存，事实上，程序对自己内存的操作不属于外部的输入输出。这也是为什么在上述例子中，编译器可以去除对i变量的操作。但是这又会出现一个麻烦，有些时候操作系统会把一些硬件映射到内存上，让程序通过对内存的操作来操作这个硬件，比如说把磁盘空间映射到内存中。那么对这部分内存的操作实际上就属于对程序外部的输入输出了。对这部分内存的操作是不能随便修改顺序的，更不能忽略。这个时候volatile就可以派上用场了。按照C++标准，对于glvalue的volatile变量进行操作，与其他输入输出一样，顺序和内容都是不能改变的。这个结果就像是把对volatile的操作看做程序外部的输入输出一样。（glvalue是值类别的一种，简单说就是内存上分配有空间的对象，更详细的请看我的另一篇文章。）

按照C++标准，这是volatile唯一的功能，但是在一些编译器（如，MSVC）中，volatile还有线程同步的功能，但这就是编译器自己的拓展了，并不能跨平台应用。

对volatile常见的误解

实际上“volatile可以在线程间同步”也是比较常见的误解。比如以下的例子：

class AObject
{
public:
    void wait()
    {
        m_flag = false;
        while (!m_flag)
        {
            this_thread::sleep(1000ms);
        }
    }
    void notify()
    {
        m_flag = true;
    }

private:
    volatile bool m_flag;
};

AObject obj;

...

// Thread 1
...
obj.wait();
...

// Thread 2
...
obj.notify();
...

对volatile有误解的人，或者对并发编程不了解的人可能会觉得这段逻辑没什么问题，可能会认为volatile保证了，wait()对m_flag的读取，notify()对m_flag的写入，所以Thread 1能够正常醒来。实际上并不是，Thread 1可能永远看不到m_flag变成true。因为在多核CPU中，每个CPU都有自己的缓存。缓存中存有一部分内存中的数据，CPU要对内存读取与存储的时候都会先去操作缓存，而不会直接对内存进行操作。所以多个CPU“看到”的内存中的数据是不一样的，这个叫做内存可见性问题（memory visibility）。并发编程下，一个程序可以有多个线程在不同的CPU核中同时运行，这个时候内存可见性就会影响程序的正确性。放到例子中就是，Thread 2修改了m_flag对应的内存，但是Thread 1在其他CPU核上运行，而两个CPU缓存和内存没有做同步，导致Thread 1运行的核上看到的一直都是旧的数据，于是Thread 1永远都不能醒来。内存可见性问题不是多线程环境下会遇到的唯一的问题，CPU的乱序执行也会导致一些意想不到的事情发生，关于这点volatile能做的也是有限的。这些都是属于并发编程的内容，在此我就不多做展开，总之volatile关键字对并发编程基本是没有帮助的。

那么用不了volatile，我们该怎么修改上面的例子？C++11开始有一个很好用的库，那就是atomic类模板，在<atomic>头文件中，多个线程对atomic对象进行访问是安全的。以下为修改后的代码：

class AObject
{
public:
    void wait()
    {
        m_flag = false;
        while (!m_flag)
        {
            this_thread::sleep(1000ms);
        }
    }
    void notify()
    {
        m_flag = true;
    }

private:
    atomic<bool> m_flag;
};

只要把“volatile bool”替换为“atomic<bool>”就可以。<atomic>头文件也定义了若干常用的别名，例如“atomic<bool>”就可以替换为“atomic_bool”。atomic模板重载了常用的运算符，所以atomic<bool>使用起来和普通的bool变量差别不大。一些atomic的高级用法，由于要涉及到C++的内存模型与并发编程，我就不在此展开了，以后有时间再补上。

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