谈谈C++的volatile关键字以及常见的误解

程序员文章站 2022-04-14 23:14:12

近期看到C++标准中对volatile关键字的定义，发现和java的volatile关键字完全不一样，C++的volatile对并发编程基本没有帮助。网上也看到很多关于volatile的误解，于是决定写这篇文章详细解释一下volatile的作用到底是什么。 ......

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　　作者：。）

按照C++标准，这是volatile唯一的功能，但是在一些编译器（如，MSVC）中，volatile还有线程同步的功能，但这就是编译器自己的拓展了，并不能跨平台应用。

对volatile常见的误解

实际上“volatile可以在线程间同步”也是比较常见的误解。比如以下的例子：

class AObject
{
public:
    void wait()
    {
        m_flag = false;
        while (!m_flag)
        {
            this_thread::sleep(1000ms);
        }
    }
    void notify()
    {
        m_flag = true;
    }

private:
    volatile bool m_flag;
};

AObject obj;

...

// Thread 1
...
obj.wait();
...

// Thread 2
...
obj.notify();
...

对volatile有误解的人，或者对并发编程不了解的人可能会觉得这段逻辑没什么问题，可能会认为volatile保证了，wait()对m_flag的读取，notify()对m_flag的写入，所以Thread 1能够正常醒来。实际上并不是，Thread 1可能永远看不到m_flag变成true。因为在多核CPU中，每个CPU都有自己的缓存。缓存中存有一部分内存中的数据，CPU要对内存读取与存储的时候都会先去操作缓存，而不会直接对内存进行操作。所以多个CPU“看到”的内存中的数据是不一样的，这个叫做内存可见性问题（memory visibility）。并发编程下，一个程序可以有多个线程在不同的CPU核中同时运行，这个时候内存可见性就会影响程序的正确性。放到例子中就是，Thread 2修改了m_flag对应的内存，但是Thread 1在其他CPU核上运行，而两个CPU缓存和内存没有做同步，导致Thread 1运行的核上看到的一直都是旧的数据，于是Thread 1永远都不能醒来。内存可见性问题不是多线程环境下会遇到的唯一的问题，CPU的乱序执行也会导致一些意想不到的事情发生，关于这点volatile能做的也是有限的。这些都是属于并发编程的内容，在此我就不多做展开，总之volatile关键字对并发编程基本是没有帮助的。

那么用不了volatile，我们该怎么修改上面的例子？C++11开始有一个很好用的库，那就是atomic类模板，在<atomic>头文件中，多个线程对atomic对象进行访问是安全的。以下为修改后的代码：

class AObject
{
public:
    void wait()
    {
        m_flag = false;
        while (!m_flag)
        {
            this_thread::sleep(1000ms);
        }
    }
    void notify()
    {
        m_flag = true;
    }

private:
    atomic<bool> m_flag;
};

只要把“volatile bool”替换为“atomic<bool>”就可以。<atomic>头文件也定义了若干常用的别名，例如“atomic<bool>”就可以替换为“atomic_bool”。atomic模板重载了常用的运算符，所以atomic<bool>使用起来和普通的bool变量差别不大。一些atomic的高级用法，由于要涉及到C++的内存模型与并发编程，我就不在此展开了，以后有时间再补上。

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