volatile關鍵字的作用(C語言volatile關鍵字的作用是什么)

寫在前面

版本信息:Linux操作系統,x86架構,Linux操作系統下GCC9.3.1版本。GCC 9.3.0手冊。

先看一下GCC文檔給的volatile說明:

一言以蔽之:讓編譯器不再去優化被volatile修飾的變量的操作。但是volatile并不能做內存屏障的功能,想使用內存屏障請使用平臺相關的屏障指令,比如GCC提供了一個內聯asm volatile ("" : : : "memory");的編譯器屏障。詳情平臺相關的內存屏障請關注特定平臺的操作手冊~!

既然上述說明了volatile關鍵字可以避免編譯器優化,那么下面筆者用2個列子來說明一下。

//沒優化:inta=10;intb=a;intc=a;intd=a;//對應的匯編代碼sub16,esp//開辟棧幀mov$10,(esp-12)//把立即數10放入到esp-12的棧幀位置,這也對應a變量。mov(esp-12)(esp-8)//把(esp-12)的值放入到(esp-8)的位置,這也對應b變量mov(esp-12)(esp-4)//把(esp-12)的值放入到(esp-4)的位置,這也對應c變量mov(esp-12)(esp)//把(esp-12)的值放入到(esp)的位置,這也對應d變量//總結,每次從內存中拿

比如這個很簡單的列子,定義一個變量a,然后把a賦值給b、c、d。

看匯編代碼,可以清楚的看到,每次賦值都是從內存地址中拿去值,這也就需要訪問多次內存。影響到代碼的執行效率。那么,編譯器會如何優化呢?

既然b、c、d都使用的a變量,而A變量為10,那么可不可以這樣寫呢?

//優化:inta=10;intb=10;intc=10;intd=10;//對應的匯編代碼:sub16,esp//開辟棧幀mov$10,(esp-12)//把立即數10放入到esp-12的棧幀位置,這也對應a變量。mov(esp-12),eax//把esp-12的棧幀位置對應的值,也就是10放入到eax寄存器中。moveax(esp-8)//把eax寄存器的值放入到(esp-8)的位置,這也對應b變量moveax(esp-4)//把eax寄存器的值放入到(esp-4)的位置,這也對應c變量moveax(esp)//把eax寄存器的值放入到(esp)的位置,這也對應d變量//總結,每次從eax寄存器拿,此時,可以把eax想成一個緩存寄存器。

可以從匯編代碼看出,把a變量的值放入到eax寄存器中,然后把eax寄存器的值賦值給b、c、d變量,這樣就只需要訪問一次內存了。此時,我們需要考慮,假如賦值b、c、d的過程中,a的值發生了改變了呢?那么對于b、c、d來說還是賦值的原值,所以就出現了問題。

這是一個很簡單的編譯器優化的例子,代碼就是假設的代碼,匯編也是偽匯編,那么,為得到讀者的認可,筆者也是寫了一個真實的案例。

//demo.c案例#include<stdlib.h>#include<stdio.h>#include<pthread.h>#include<errno.h>/*全局變量*/intgnum=1;/*線程1的服務程序*/staticvoidpthread_func_1(void){while(gnum==1){}}intmain(void){/*線程的標識符*/pthread_tpt_1=0;intret=0;/*創建線程1*/ret=pthread_create(&pt_1,//線程標識符指針NULL,//默認屬性(void*)pthread_func_1,//運行函數NULL);//無參數if(ret!=0){perror("pthread_1_create");}/*主線程停1秒,讓p1線程成功被CPU調度*/sleep(1);/*改變全局屬性gnum的值,讓p1線程停下來。*/gnum=0;/*等待線程1的結束*/pthread_join(pt_1,NULL);printf("mainprogrammeexit!/n");return0;}

這段代碼很簡單,使用pthread創建一個p1線程,p1線程里面寫了一個while循環,循環條件是判斷全局變量gnum是否為1。main線程啟動p1線程,同時main線程休眠1秒,讓p1線程得到CPU的調度,然后把全局變量gnum設置為0,讓p1線程的while結束。main線程使用join等待p1線程執行結束,p1線程結束后main線程打印main programme exit。

gcc普通編譯:

//gcc普通編譯后gcc-pthreaddemo.c//objdump指令查看反匯編objdump-Sa.out//反編譯后p1線程代碼段的匯編代碼000000000040068d<pthread_func_1>:40068d:55push%rbp40068e:4889e5mov%rsp,%rbp400691:90nop400692:8b05bc092000mov0x2009bc(%rip),%eax#601054<gnum>//每次還從0x2009bc(%rip)獲取全局的gnum變量放入eax寄存器400698:83f801cmp$0x1,%eax//拿1和eax寄存器做比較,比較結果放入到flags寄存器中。40069b:74f5je400692<pthread_func_1+0x5>//如果比較成功就直接跳到400692這行代碼段地址,如果不成功就直接往下執行40069d:5dpop%rbp40069e:c3retq

可以清楚的看到每次都是從0x2009bc(%rip)獲取值給%eax寄存器,然后cmp做比較,je是成功就跳轉到400692代碼段地址。然后繼續mov獲取值,cmp比較,je跳轉,周而復始......

gcc -O4編譯:

//gcc-O4編譯后gcc-O4-pthreaddemo.c//objdump指令查看反匯編objdump-Sa.out//反編譯后p1線程代碼段的匯編代碼00000000004006f0<pthread_func_1>:4006f0:833d6909200001cmpl$0x1,0x200969(%rip)#601060<gnum>//比較一次,把結果放入到flags寄存器中4006f7:7507jne400700<pthread_func_1+0x10>//如果不等于就直接退出4006f9:ebfejmp4006f9<pthread_func_1+0x9>//一直循環本行,也就是直接無腦死循環(沒有退出條件的死循環)4006fb:0f1f440000nopl0x0(%rax,%rax,1)400700:f3c3repzretq400702:662e0f1f840000nopw%cs:0x0(%rax,%rax,1)400709:00000040070c:0f1f4000nopl0x0(%rax)

這里執行的話就直接死循環了。

這里也比較直觀,cmpl比較一次,如果不等于就jne直接返回,如果等于就執行jmp 4006f9,就開始無退出條件的死循環了,不管你后續全局變量gnum值是否改變都無條件死循環。所以這就是編譯器優化,導致的問題,那么使用volatile修飾全局變量gnum,看看效果。

volatile修飾后gcc -O4編譯:

//volatile修飾后gcc-O4編譯:gcc-O4-pthreaddemo.c//objdump指令查看反匯編objdump-Sa.out//反編譯后p1線程代碼段的匯編代碼00000000004006f0<pthread_func_1>:4006f0:8b055e092000mov0x20095e(%rip),%eax#601054<gnum>//每次從0x20095e(%rip)獲取全局的gnum變量放入eax寄存器4006f6:83f801cmp$0x1,%eax//拿1和eax寄存器做比較,比較結果放入到flags寄存器中。4006f9:74f5je4006f0<pthread_func_1>//如果比較成功就直接跳到4006f0這行代碼段地址,如果不成功就直接往下執行4006fb:f3c3repzretq4006fd:0f1f00nopl(%rax)

volatile 和gcc的O4優化后的代碼特別特別的精簡?？梢郧宄目吹絤ov 0x20095e(%rip),%eax每次都從0x20095e(%rip)地址獲取變量給eax寄存器,然后cmp比較,je跳轉。所以這跟普通編譯的寫法是是一樣的(單指操作被volatile修飾的變量)

內聯匯編volatile修飾后gcc -O4編譯:

intgnum=1;/*線程1的服務程序*/staticvoidpthread_func_1(void){while(gnum==1){__asm____volatile__("":::"memory")}}

//使用內聯匯編volatile編譯器優化:gcc-O4-pthreaddemo.c//objdump指令查看反匯編objdump-Sa.out//反編譯后p1線程代碼段的匯編代碼00000000004006f0<pthread_func_1>:4006f0:eb06jmp4006f8<pthread_func_1+0x8>4006f2:660f1f440000nopw0x0(%rax,%rax,1)4006f8:833d6109200001cmpl$0x1,0x200961(%rip)#601060<gnum>//拿0x200961(%rip)全局變量gnum的值和1比較。4006ff:74f7je4006f8<pthread_func_1+0x8>//如果相等就跳轉到4006f8。400701:f3c3repzretq400703:662e0f1f840000nopw%cs:0x0(%rax,%rax,1)40070a:00000040070d:0f1f00nopl(%rax)

這里cmpl直接比較,然后je跳轉。比較精簡。每次也是從0x200961(%rip)地址獲取最新值。所以不會出現無條件的死循環的情況。

volatile和內聯匯編的volatile的選擇

在Linux內核中,禁止volatile關鍵字的出現,但是里面都是使用內聯匯編volatile的形式禁止編譯器優化,當然內存屏障也是可以禁止編譯器優化的(對于內存屏障這里點到即可,詳情看不同平臺的操作手冊)。當然Linux內核代碼量特別大,如果很多地方不讓編譯器優化的話,效率會降低,一個操作系統如果性能都不行,那肯定是說不過去的。

如下圖所示:使用了volatile修飾的變量在不同的代碼段之間執行都會影響到代碼段的優化,而內聯匯編volatile就可以按需選擇,就不會全部影響到。所以讀者可以按需選擇。

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