作者：知乎用户
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来看这个代码:
int fun(int& a){
int b = a; int c = a;
return a+b+c;}
int main(){
int a=1; //.........做一些和a无关的事
return fun(a);}
这个代码是很好优化的,因为编译器知道a的值是1,参考上下文,编译器又能知道b和c的值也是1,
而且根本没有人用到了a,b,c三个变量,也没有任何人在修改a,b,c三个的值,所以编译器可能就直接
把这个函数优化成:
int main() { return 3; }
了.
这么优化有什么问题吗? 单线程没问题,但多线程就有问题了,如果是多线程,
a的值虽然在当前上下文中不会被修改,但可能正在被其他线程修改啊.于是上面的优化
就不对了. 那么,volatile关键字在这里就可以帮助我们了,volatile关键字提醒编译器:
a可能随时被意外修改.
意外的意思是虽然当前这段代码里看起来a不会变,但可能别的地方正在修改a的值哦.
所谓"别的地方",某些情况下指的就是其他线程了.
那么,如果把代码修改如下:
int fun(volatile int& a){
int b = a; int c = a; r
eturn a+b+c;}
int main(){
volatile int a=1; //.........做一些和a无关的事
return fun(a);}
编译器就不敢优化了:
int fun(volatile int& a){
int b = a; //这里从内存读一下a吧,谁知道a还等不等于1呢
int c = a; //这里再从内存读一下a吧,谁知道a还等不等于1呢
return a+b+c; //这里也从内存读一下a吧,谁知道a还等不等于1呢}
int main(){ volatile int a=1; //.........做一些和a无关的事
return fun(a); //完全不敢优化啊,鬼知道a变成多少了....}
同理的,这段代码:
//..........int a=0;
//做一些和a无关的事if(a==0) doSomething()
;//..........编译器会发现,a肯定等于0啊,那我还if个毛啊,直接优化掉!
//..........int a=0;
//做一些和a无关的事doSomething();
//if被去掉了
//..........但,一旦添加了volatile,编译器就不敢优化了.例如:
//..........volatile int a=0;
//做一些和a无关的事if(a==0) doSomething();
//可不敢优化这里! 谁知道a变成多少了!//..........
这便是volatile的作用了.
必须补充说明,volatile和锁没有一毛钱的关系,该加锁依然需要加锁.给变量添加volatile并不会让其自动拥有一个锁.所以该加锁还得加.
//------------------- 更新答案 -------------------------------------------
感谢大家的鼓励,受宠若惊! 重新看了一下答案,感觉还可以再补充一下,再举一个例子吧:
网上教程里经常见到双检锁保证单例模式的代码,简化一下,大概逻辑如下:
static int* instance;
int& get_instance() {
if( !instance ) {
//检查如果单例的指针是0 此处有某种锁;
//则在此处上锁
if( !instance ) {
//再判断一次,以防等待锁期间有别的线程已经new完了
instance = new int; //确认无误则new之}
}
return *instance;}
int main(){
int& i = get_instance();
i = 111; return 1;}
耳听为虚眼见为实,咱们看看反汇编如何(Intel ICC,O2,为了方便看反汇编禁用inline):
...................010B1034 mov eax,dword ptr ds:[010B5100h]
//读取instance指针到eax010B1039 test eax,eax
//检查eax是否为0010B103B je
get_instance+12h (010B1042h)
//如果为0,则跳转下文010B1042处...................010B103D
//此处为下文中跳回的位置...................010B1041 ret //get_instance()函数返回...................
//010B1042从这里开始010B1044 call
dword ptr ds:[10B309Ch]
//这里面call进去是malloc函数 010B104A add esp,4
//调整栈010B104D mov dword ptr ds:[010B5100h],eax
//将malloc出的写回instance地址010B1052 jmp get_instance+0Dh (010B103Dh) //跳回前面的代码.........................
反汇编发现什么问题没? 喂! 判断只做了一次啊!!!! 第二个if去哪里了!
哪里去了? 被编译器优化掉了.... 因为这里的优化逻辑很简单:
如果第一个判断某值==0成功,根本没必要去做第二个判断,因为编译器能发现此值没被这段代码
修改,同时编译器认为此值也不会被其他人"意外"修改,于是,苦心积虑所做的双检锁失效了.跟没写一样.
好了,见证奇迹的时候到了,我们就改一行代码:
static int* volatile instance;
再编译一下,看看反汇编:
01201034 mov eax,dword ptr ds:[01205100h]
//读取instance指针到eax01201039 test eax,eax
//检查eax是否为00120103B je get_instance+17h (01201047h)
//如果为0,则跳转下文01201047h处.................01201046 ret //get_instance()函数返回.................
//以下为上文中跳转位置01201047:01201047 mov eax,dword ptr ds:[01205100h]
//再次读取instance指针到eax0120104C test eax,eax
//再次检查eax是否为00120104E jne get_instance+0Dh (0120103Dh)
//如果非0,跳回上文return处01201050 push 4
//如果还是0,往下执行malloc什么的.01201052 call dword ptr ds:[120309Ch]
//这里进去是malloc...........0120105B mov dword ptr ds:[01205100h],eax
//将malloc好的值写回instance01201060 jmp get_instance+0Dh (0120103Dh) //返回上文...........
终于,双检锁的逻辑正确了.因为volatile已经提示编译器,instance指针可能被"意外"修改.不要瞎做优化.
这里有一个要吐槽的,intel ICC用最高等级优化,不加volatile的话连第一个判断都被优化掉了,
而MSVC无论怎么开优化,加不加volatile,永远两个判断全做,不愧是安全第一...
特别提醒: 实际上即使加了volatile,这样的双检锁依然不安全,只有原子操作才安全,
详情请见我的另一个答案:
(此处删去一段,详见下文更新)
//========= 来自2017年10月的更新 =========================
最近这个题突然间又火了起来,本答案也突然获得很多赞,如今时隔两年,回头看看答案感觉最后的段落并没有解释的非常清楚,有必要补充一些原子操作方面的内容:
我们都在提std::atomic, 那么这里不免产生个问题,atomic是c++11里加入的,那么c++11之前难道我们就不用原子了吗? 显然不可能. 那么,在c++11之前我们如何进行原子操作呢? 除了直接汇编以外, 一般使用以下函数:
windows/MSVC: Interlocked系列API,例如:
LONG __cdecl InterlockedCompareExchange(
_Inout_ LONG volatile *Destination,
_In_ LONG Exchange,
_In_ LONG Comparand
);
再例如:
LONG __cdecl InterlockedDecrement(
_Inout_ LONG volatile *Addend
);
原子加减,CAS操作,exchange操作等等一组操作,分为8,16,32,64,128比特的尺寸.
再来看看C11中(注意是c11,不是c++11)的原子操作函数,例如:
C atomic_fetch_add( volatile A* obj, M arg );
C atomic_fetch_add_explicit( volatile A* obj, M arg, memory_order order );
未完待续
