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1 实例代码分析

在讲解volatile关键字的作用之前，我们先来看一个代码的例子，代码如下：

  • main.c
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

extern const int g_ready;

int main()
{
    launch_device();


    while( g_ready == 0 )
    {
        sleep(1);
        
        printf("main() : g_ready = %d\n", g_ready);
    }
    
    printf("main() : g_ready = %d\n", g_ready);

    return 0;
}
  • device.c
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

int g_ready = 0;

void* th_fn(void* args)
{
    sleep(5);

    g_ready = 1;

    printf("th_fn() : g_ready = %d\n", g_ready);
}

void launch_device()
{
    pthread_t tid = 0;

    pthread_create(&tid, NULL, th_fn, NULL);
}

上面的代码，是非常容易懂的，这里就不再多说。我们直接编译运行看看：

  • gcc -pthread main.c device.c -o test.out
  • ./test.out

运行结果如下：

这个结果对于我们来说其实挺容易懂的。就是main中的while循环先每隔一秒打印执行一次，然后5秒后th_fn函数开始执行，th_fn函数将g_ready变量变为1，然后打印一个语句。最后回到main中的while循环，由于while中上次最后一秒现在才执行完，打印一句，然后由于此时g_ready为1，所以退出循环，然后打印循环外的一个语句，然后结束程序的运行。这种结果，其实是比较容易理解的。也是比较普遍的结果。

但是如果我们再编译上述代码的时候，加上了-O3选项，该选项是优化选项，且级别比较高。编译运行结果如下：

  • gcc -O3 -pthread main.c device.c -o test.out
  • ./test.out

运行结果如下动态图：

由以上结果我们可以看到，程序陷入了死循环，g_ready没有被改变一直都是0，所以main中的while循环一直在执行。对于这个结果，可能并不是所有人都知道为什么。下面，我们就要来讲解为什么会产生上面的运行结果。

2 问题分析

-O3选项是让编译器对代码进行优化。

  • 编译优化时，编译器根据当前文件进行优化。
  • 为了效率上的提高，优化时编译器将变量值从内存中读取进入寄存器
  • 每次要访问变量时直接从寄存器读取。毕竟寄存器的存取比内存的存取快很多。

那么，我们明白了优化对变量的影响。对于上述的代码，如果在编译时加了-O3选项。编译优化时，编译器会将变量g_ready的值放到寄存器中，以后每次使用该变量就从寄存器中取出g_ready的值使用即可。这样虽然是速度快了，但是当在th_fn函数中改变了g_ready的值后，在内存中确实g_ready的值已经变为1了，但是在刚刚那个寄存器中，最开始将g_ready的值也就是0存进去的，一直都没有改变过，但是呢，由于编译器的优化，每次在使用g_ready的变量的时候，都是从寄存器中直接取出值来使用…

说到这里，应该都能够明白了，此时从寄存器中取出的值就一直都是0.然后while一直循环。

3 解决方案

编译的时候使用-O3选项是很常用的。那么如何才能既使用这个-O3选项，又使得上述程序按照我们的意愿来执行呢？volatile就此出场。

使用volatile关键字修饰可能被意外修改的变量（内存），从而禁止编译器对该变量进行优化。

  • volatile一般修饰的是一种易变的变量
  • volatile可理解为一种编译器警告指示字，它告诉编译器必须每次都直接去内存中取变量值。

那么在上述的代码中，我们将main.c中的extern const int g_ready; 改为：extern volatile const int g_ready; 再重新进行优化的编译，然后运行，结果就是正确的运行。可以自己尝试做实验！

4 拓展： const和volatile

细心的朋友会发现，在main.c程序中，我们改完后，成这样了：extern volatile const int g_ready; 又是const又是volatile的。我们上面说过，volatile修饰的是意变的变量，而const修饰的变量是不能被修改的，有的人叫它常量，不可变的。而实际上在编程语言中的解释是这样的：const修饰的变量在当前文件中不能够出现在赋值符号的左边。 所以我们可以看到，在main.c这个文件中g_ready这个变量，并没有出现在赋值符号的左边，所以是没有问题。但是在device.c文件中g_ready是没有被const修饰的，它就可以出现在赋值符号的左边，可以被改变。这样一来，在device.c中修改g_ready这个变量，在main.c中的g_ready也间接被改变了。所以，我觉得说const修饰的是常量这个说法不够准确，说它是变量但是不能够出现在赋值符号的左边更加准确。

下面就总结一下const和volatile关键字：

  • const表示修饰的变量在当前文件中不能出现在赋值符号的左边，不能直接被改变，但是可以间接被改变
  • volatile表示修饰的变量每次使用的时候直接从内存中读取
  • const和volatile同时修饰变量时互不影响。

4 总结

  • 编译优化时，编译器仅根据当前文件进行优化
  • 编译器的优化策略可能造成一些意外
  • volatile强制编译器必须从内存中取变量值
  • const和volatile同时修改变量时，互相不影响彼此的含义。