什么时候可以完全优化 volatile 变量？

Question

考虑这个代码示例：

int main(void)
{
  volatile int a;
  static volatile int b;

  volatile int c;
  c = 20;
  static volatile int d;
  d = 30;

  volatile int e = 40;
  static volatile int f = 50;

  return 0;
}

没有volatile，编译器可以优化掉所有变量，因为它们永远不会被读取。

我认为a 和b 可以被优化掉，因为它们完全没有被使用，参见unused volatile variable。

我认为c 和d 不能被删除，因为它们是被写入的，而且对 volatile 变量的写入必须实际发生。 e 应该等同于 c。

GCC 不会优化掉f，但它也不会发出任何写入指令。 50被设置在数据部分中。 LLVM (clang) 完全删除 f。

这些说法是真的吗？

1. 如果永远不会访问 volatile 变量，则可以将其优化掉。
2. 静态或全局变量的初始化不算作访问。

Answer 1

写入 volatile 变量（甚至是自动变量）算作可观察行为。

C11 (N1570) 5.1.2.3/6：

对一致性实现的最低要求是：

— 对 volatile 对象的访问严格按照抽象规则进行评估 机器。

——程序终止时，写入文件的所有数据都应与以下结果相同 根据抽象语义执行程序会产生。

——交互式设备的输入和输出动态应按照 7.21.3。这些要求的目的是无缓冲或行缓冲输出 尽快出现，以确保提示消息实际出现在之前 等待输入的程序。

这是程序的可观察行为。

问题是：初始化 (e, f) 算作“访问”吗？正如 Sander de Dycker 所指出的，6.7.3 说：

什么构成对具有 volatile 限定类型的对象的访问是实现定义的。

这意味着是否可以优化 e 和 f 取决于编译器 - 但这必须记录在案！

Answer 2

严格来说，任何被访问（读取或写入）的 volatile 变量都无法根据 C 标准进行优化。该标准规定，对 volatile 对象的访问可能会产生未知的副作用，并且对 volatile 对象的访问必须遵循 C 抽象机的规则（其中所有表达式都根据其语义进行评估）。

来自强大的标准（强调我的）：

(C11, 6.7.3p7) “具有 volatile 限定类型的对象可能会以不知道的方式被修改 实施或有其他未知的副作用。因此任何引用的表达式 对这样的对象，要严格按照抽象机的规则进行评估， 如 5.1.2.3 所述。”

因此，即使是简单的变量初始化也应被视为访问。请记住，static 说明符还会导致对象被初始化（到0）并因此被访问。

现在已知编译器在使用 volatile 限定符时会表现出不同的行为，我猜其中很多编译器只会优化示例程序中的大部分 volatile 对象，但具有显式赋值 (=) 的对象除外。