C语言volatile关键字的作用是什么

本篇内容介绍了“C语言volatile关键字的作用是什么”的有关知识，在实际案例的操作过程中，不少人都会遇到这样的困境，接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧！希望大家仔细阅读，能够学有所成！

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。

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~！

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>
/*全局变量*/
int gnum = 1;
/*线程1的服务程序*/
static void pthread_func_1 (void)
{
   while(gnum == 1){
   }
}
int main (void)
{
 /*线程的标识符*/
  pthread_t pt_1 = 0;
  int ret = 0;
  /*
    创建线程1
  */
  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");
  }
  /* 主线程停1秒，让p1线程成功被CPU调度 */
  sleep(1);
  /* 改变全局属性gnum的值，让p1线程停下来。 */
  gnum = 0;
  /* 等待线程1的结束 */
  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;
/*线程1的服务程序*/
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。

“C语言volatile关键字的作用是什么”的内容就介绍到这里了，感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识可以关注亿速云网站，小编将为大家输出更多高质量的实用文章！