为什么C中需要挥发性?它的用途是什么?它会做什么?


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volatile变量可以从编译代码的外部进行更改(例如,程序可以将volatile变量映射到内存映射寄存器)。编译器不会对处理易失性变量的代码应用某些优化——例如,它不会在不将其写入内存的情况下将其加载到寄存器。这在处理硬件寄存器时很重要。

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正如这里许多人正确地建议的那样,volatile关键字的流行用途是跳过volatile变量的优化。

在阅读了volatile之后,我想到的最好的优点是——在longjmp的情况下防止回滚变量。非本地跳转。

这是什么意思?

它只是意味着在你进行堆栈展开后,最后一个值将被保留,以返回到前一个堆栈帧;通常是在一些错误的情况下。

因为它超出了这个问题的范围,所以我不打算在这里详细讨论setjmp/longjmp,但是值得一读;以及如何使用波动特征来保留最后的价值。

在Dennis Ritchie设计的语言中,除了地址未被获取的自动对象外,对任何对象的每次访问都表现为计算对象的地址,然后在该地址上读写存储。这使得该语言非常强大,但严重限制了优化机会。

While it might have been possible to add a qualifier that would invite a compiler to assume that a particular object wouldn't be changed in weird ways, such an assumption would be appropriate for the vast majority of objects in C programs, and it would have been impractical to add a qualifier to all the objects for which such assumption would be appropriate. On the other hand, some programs need to use some objects for which such an assumption would not hold. To resolve this issue, the Standard says that compilers may assume that objects which are not declared volatile will not have their value observed or changed in ways that are outside the compiler's control, or would be outside a reasonable compiler's understanding.

Because various platforms may have different ways in which objects could be observed or modified outside a compiler's control, it is appropriate that quality compilers for those platforms should differ in their exact handling of volatile semantics. Unfortunately, because the Standard failed to suggest that quality compilers intended for low-level programming on a platform should handle volatile in a way that will recognize any and all relevant effects of a particular read/write operation on that platform, many compilers fall short of doing so in ways that make it harder to process things like background I/O in a way which is efficient but can't be broken by compiler "optimizations".

在我看来,你不应该对volatile期望太高。为了说明这一点,看看尼尔斯·派彭布林克(Nils Pipenbrinck)的高票数回答中的例子。

我想说,他的例子并不适用于volatile。Volatile只用于: 阻止编译器进行有用和理想的优化。这与线程安全、原子访问甚至内存顺序无关。

在这个例子中:

    void SendCommand (volatile MyHardwareGadget * gadget, int command, int data)
    {
      // wait while the gadget is busy:
      while (gadget->isbusy)
      {
        // do nothing here.
      }
      // set data first:
      gadget->data    = data;
      // writing the command starts the action:
      gadget->command = command;
    }

gadget->data = gadget->command = command之前的数据仅由编译器在编译后的代码中保证。在运行时,处理器仍然可能根据处理器架构对数据和命令分配进行重新排序。硬件可能会得到错误的数据(假设gadget映射到硬件I/O)。数据和命令分配之间需要内存屏障。

我会提到另一个挥发物很重要的场景。

假设您为更快的I/O对文件进行内存映射,并且该文件可以在幕后更改(例如,该文件不在您的本地硬盘驱动器上,而是通过网络由另一台计算机提供)。

如果您通过指向非易失性对象的指针(在源代码级别)访问内存映射文件的数据,那么编译器生成的代码可以多次获取相同的数据,而您却不知道它。

如果该数据碰巧发生了变化,您的程序可能会使用两个或多个不同版本的数据,并进入不一致的状态。如果程序处理不受信任的文件或来自不受信任位置的文件,这不仅会导致程序的逻辑不正确行为,而且还会导致可利用的安全漏洞。

如果您关心安全性,这是一个需要考虑的重要场景。

Volatile告诉编译器你的变量可以通过其他方式被改变,而不是通过访问它的代码。例如,它可能是一个I/ o映射的内存位置。如果在这种情况下没有指定这一点,一些变量访问可以被优化,例如,它的内容可以保存在寄存器中,并且内存位置不会再次读入。