C++语法｜volatile关键字！从CPU角度进行理解-编程知识

个人认为C++有着复杂、臃肿的语法系统，但是也正是因为这些特性，让我们在使用C++时既能深入到操作系统级的控制，也能抽象出来完全专注于一些业务问题。
这里为大家推荐一本书和汇编代码阅读网站！
《CPU眼里的C/C++》
Compiler Explorer
我们一起来抽丝剥茧，语法上的一切弯弯绕绕，在CPU汇编指令的面前众生平等。

文章目录

简述volatile概念
案例——不加valatile的情况
- 案例代码
案例——加上valatile关键字
- volatile的真正用意
volatile的典型应用场景
- 1.多线程
- - 不加volatile关键字
  - 加上volatile关键字
- 2.驱动开发
- - 不加volatile关键字
  - 加上volatile关键字
总结

简述volatile概念

volatile可以放到变量的前面，告诉编译器这个变量是易变的、不稳定的。
只能说是一脸懵逼。

案例——不加valatile的情况

本节首先会给一个案例代码，其中包括C++源代码和对应的汇编指令。不懂汇编不要紧，我会进行详细的阐述说明。

首先我们一起探究一下对于一个常规变量，编译器是如何进行处理的。

案例代码

在这里插入图片描述

我们先从CPU的角度理解一下常规变量，然后做一下函数调用：左边CPP源代码的背景色和右边汇编的背景色是一一对应的。
我们对该案例进行以下分析：

while循环体对应的的汇编指令

mov		eax, DWORO PTR a[rip]
cmp		eax, 1
jg		.L2

指令一：读取变量a的值，将a的值(a是全局变量)读取到eax寄存器中。
指令二：比较a和1的大小
指令三：如果a大于1，则跳回，把前面两条指令再做一次。

提高编译器优化级别
我们将编译器的优化级别设置为-O2，这通常针对编译过的程序进行性能优化的编译器选项，其目标是提升程序的执行速度，同时尽量保持编译时间和结果程序的大小在合理范围内。

我们整体的代码只上下五条汇编指令！因为编译器会把变量a当作常量来对待。既然a被认为是常量，那就说明a与1比较的结果对于编译器来说是预先可知的，所以我们的汇编竟然直接不执行while循环！

这就是编译器在背后为我们做的事情！

案例——加上valatile关键字

如果我们给a加上volatile
其他部分代码都不变，我们在a前面加上volatile关键字，汇编指令如下：
在这里插入图片描述

如上，尽管我们进行了2级优化，但是对于while对应的3条指令编译器并不会把它优化掉了！而是老老实实得从内存中取指令到寄存器，然后寄存器比较寄存器和1的大小，最后跳回或跳出循环。

volatile的真正用意

前文所说：“易变的、不稳定的”的描述其实都是说给编译器听的。

因为编译器会把他认为值不会改变的变量当作常量对待，以此缩减不必要的CPU指令，换取大幅度的效率优化。而volatile就是阻止这种优化，让CPU老老实实从内存中读、写变量。

由于编译器的技术进步和各大编译器之间的巨大差异，判定一个变量是否可以被优化，也没有一个统一的标准。这也就是volatile存在的意义！

volatile的典型应用场景

1.多线程

不加volatile关键字

我们在另外一个文件file_B或者另外一个线程task_B中，改变了a的值，让其满足while循环的条件。

//file_A.cpp
int a = 0;
int task_A() {while(a > 1) {// do something}return 1;
}//file_B.cpp
extern int a;
void task_B() {a = 2;
}

在这里插入图片描述
我们明明已经在文件B或者线程B的task_B函数更改了，a的值，但是由于编译器将while循环的指令进行了优化，while直接不满足条件而跳出循环！

加上volatile关键字

在这里插入图片描述
加上volatile关键字后，编译器不进行优化，CPU老老实实按照我们的想法来干活。

2.驱动开发

不加volatile关键字

在做驱动开发的时候，我需要通过读一个寄存器来了解USB设备的插拔状态：

unsigned int *REGISTER = (unsigned int *)0xFF001100;int detect () {//initialize register*REGISTER = 0xff;//read register for USB statusunsigned int status = *REGISTER;return status;
}

在这里插入图片描述
这里经过编译器的代码优化后，尽管将REGISTER寄存器的值乖乖读到rax中，但是我们的unsigned int status = *REGISTER竟然被直接优化了！
因为在编译器眼里，我们就是在读一个毫无变化的值，所以他干脆不读rax寄存器，而是直接把立即数255(0xff)返回。这样我们得到的USB状态永远都是毫无意义的255。

加上volatile关键字

在这里插入图片描述

加上之后，我们的编译器终于开始认认真真的读rax中的寄存器数字了。很舒服

总结

编译器的代码优化能力：编译器可能对代码中的变量读、写进行适当的优化，避免没有必要的内存读写操作，这往往会大幅度提升程序的执行效率。但当程序变得复杂时，就算编译器也不能完全领会程序员意图，所以这种优化有时候是有害的，需要volatile站出来解决。
volatile关键字到底有什么用：volatile关键字，就是用来避免编译器的优化操作，用来保证每次对变量的读、写都是对内存的真实操作；特别是不会让编译器把某些变量当作常量对待。
如何判断开不开优化：在编译器不开优化的情况下，很多时候，是否加volatile不会有什么差异，这也让volatile的使用场景变得模糊。判定volatile是否有存在的必要，往往需要查看代码对应的CPU(汇编)指令，看看它是否符合程序员预期。

《CPU眼里的C/C++》的作者阿布大哥在本节最后讲了他的volatile应用场景：
“网卡会把每一个以太网数据包发送两遍。虽然依靠强大的TCP/IP协议的应对能力，这并不会影响网络通信和软件功能。
最后经过排查网卡驱动程序，之所以发送两次，是因为程序判定每次发送以太网包都是不成功的！所以会尝试在发一次。明明成功地发送了，为何被判定为不成功呢？
原来用来标识成功与否的寄存器，他的值被保存在一个变量里面，但由于优化的原因，而该变量被编译器当作常量0来对待了！”