C++系列总结——volatile关键字
前言
volatile的中文意思是易变的，但这个易变和mutable是不同的含义。mutable是指编译期的易变，根据语法编译器默认不会让我们修改某些变量，但是加上mutable让编译器知道我们要修改的态度很强硬。而volatile的易变是指运行期的易变，这些变化是编译器无法感知的变化，让编译器不要瞎优化。
volatile如何影响编译结果
例一
编译器会将其认为无用的死代码优化掉。
int main()
{
int* reg = 0x123456; // 假设0x123456是某个特殊寄存器的地址
*reg = 0x1;
*reg = 0x2;
*reg = 0x3;
*reg = 0x4;
return 0;
}
上面的代码通过g++ a.cpp -o2编译后，你会发现只有*reg = 0x4;生效了，其他语句被优化掉了。
0x0000000000400540 <+0>: movl $0x4,0x123456 0x000000000040054b <+11>: xor %eax,%eax 0x000000000040054d <+13>: retq
一般情况下，这没有什么影响，但是上例中的代码实际是初始化某个设备的状态，任何状态的赋值都不能被省略，否则可能导致设备异常无法工作，此时就需要用到volatile。当加上volatile修饰后，同样通过g++ a.cpp -o2编译后，没有任何语句被优化掉
0x0000000000400540 <+0>: movl $0x1,0x123456 0x000000000040054b <+11>: xor %eax,%eax 0x000000000040054d <+13>: movl $0x2,0x123456 0x0000000000400558 <+24>: movl $0x3,0x123456 0x0000000000400563 <+35>: movl $0x4,0x123456 0x000000000040056e <+46>: retq
例二
因为寄存器速度快，所以编译器会使用寄存器达到优化的目的，避免频繁操作内存。
玩过单片机或者arm板的同学肯定都写过跑马灯程序，下面的程序就算简单模拟一下led灯忽闪忽闪。
int main()
{
int* a = (int*)0x123456;
for( int i = 0; i < 1000; ++i ){
*a = ~(*a); // 反复取反，开关led灯
sleep( 1 );
}
return 0;
}
通过g++ a.cpp -o2编译后，你会发现每次取反后的值都保存在寄存器edx中，只在最后把edx里的值保存到了0x123456，这相当于只开关了led灯一次，不符合预期。
0x0000000000400540 <+0>: mov 0x123456,%edx 0x0000000000400547 <+7>: mov $0x3e8,%eax 0x000000000040054c <+12>: nopl 0x0(%rax) 0x0000000000400550 <+16>: sub $0x1,%eax 0x0000000000400553 <+19>: not %edx 0x0000000000400555 <+21>: jne 0x400550 <main+16> 0x0000000000400557 <+23>: mov %edx,0x123456 0x000000000040055e <+30>: xor %eax,%eax 0x0000000000400560 <+32>: retq
当加上volatile后，每次取反结果都会存入0x123456，开关led灯1000次符合预期。
=> 0x0000000000400540 <+0>: mov $0x3e8,%edx 0x0000000000400545 <+5>: nopl (%rax) 0x0000000000400548 <+8>: mov 0x123456,%eax 0x000000000040054f <+15>: sub $0x1,%edx 0x0000000000400552 <+18>: not %eax 0x0000000000400554 <+20>: mov %eax,0x123456 # 每次取反结果都会存入0x123456 0x000000000040055b <+27>: jne 0x400548 <main+8> 0x000000000040055d <+29>: xor %eax,%eax 0x000000000040055f <+31>: retq
上面这个例子还可以反一下，即程序统计外部开关led灯的开关次数（通过中断感知），如果使用寄存器优化的话，cpu可能只感知到一次变化。
例三
编译器可以重排指令方便指令流水化处理，达到优化目的。
int main()
{
int* a = (int*)0x123456; // 0x123456是某个设备地址
*a = 0x1; // 开启该设备
int* b = (int*)0x654321; // 0x654321是该设备的数据读取地址
printf( "%d\n", *b ); // 读取该地址的数据
return 0;;
}
上面代码的逻辑是开启某个设备后，从该设备指定地址读取数据，存在因果关系，但编译器无法识别。因此通过g++ a.cpp -o2编译后，你会发现int* b = (int*)0x654321被提前了，程序不符合预期。
=> 0x0000000000400590 <+0>: sub $0x8,%rsp 0x0000000000400594 <+4>: mov 0x654321,%esi # 先从0x654321读取数据 0x000000000040059b <+11>: movl $0x1,0x123456 # 后将0x1设置到0x123456 0x00000000004005a6 <+22>: mov $0x400760,%edi 0x00000000004005ab <+27>: xor %eax,%eax 0x00000000004005ad <+29>: callq 0x400530 <printf@plt> 0x00000000004005b2 <+34>: xor %eax,%eax 0x00000000004005b4 <+36>: add $0x8,%rsp 0x00000000004005b8 <+40>: retq
使用volatile修饰a和b后，指令执行顺序符合预期
=> 0x0000000000400590 <+0>: sub $0x8,%rsp 0x0000000000400594 <+4>: movl $0x1,0x123456 # 先设置 0x000000000040059f <+15>: mov 0x654321,%esi # 后读取 0x00000000004005a6 <+22>: mov $0x400760,%edi 0x00000000004005ab <+27>: xor %eax,%eax 0x00000000004005ad <+29>: callq 0x400530 <printf@plt> 0x00000000004005b2 <+34>: xor %eax,%eax 0x00000000004005b4 <+36>: add $0x8,%rsp 0x00000000004005b8 <+40>: retq
结语
volatile保证了单一执行线程内，对其修饰的变量的访问不能被优化，以及对另一先序或后序该volatile变量的volatile变量的访问不会被重排序。
从上面的例子能看看出，嵌入式开发中，volatile会比较常用，但在普通应用开发中其实很少用到，一般配合信号处理函数使用。
volatile并不能保证多线程安全。
上述代码运行必崩溃，看看意思就好。
gcc version 4.8.5 20150623