多线程什么时候需要使用volatile?

作者:知乎用户

链接:https://www.zhihu.com/question/31459750/answer/52061391

来源:知乎

著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。

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:

对int变量赋值的操作是原子的吗? - 知乎用户的回答

(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

©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 141,232评论 1 296
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 60,610评论 1 254
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 93,049评论 0 210
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 40,691评论 0 171
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 48,375评论 1 250
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 38,571评论 1 169
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 30,262评论 2 266
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 29,036评论 0 163
  • 想象着我的养父在大火中拼命挣扎,窒息,最后皮肤化为焦炭。我心中就已经是抑制不住地欢快,这就叫做以其人之道,还治其人...
    爱写小说的胖达阅读 28,781评论 6 225
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 32,394评论 0 211
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 29,154评论 2 212
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 30,470评论 1 222
  • 白月光回国,霸总把我这个替身辞退。还一脸阴沉的警告我。[不要出现在思思面前, 不然我有一百种方法让你生不如死。]我...
    爱写小说的胖达阅读 24,151评论 0 31
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 27,023评论 2 210
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 31,376评论 3 201
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 25,579评论 0 8
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 25,926评论 0 163
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 33,342评论 2 227
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 33,466评论 2 229

推荐阅读更多精彩内容