所有全局变量都应该是 volatile 限定的吗？

Question

在这个例子中，正确性是否需要将global_value 声明为volatile？

int global_value = 0;

void foo () {
    ++ global_value;
}

void bar () {
    some_function (++global_value);
    foo ();
    some_function (++global_value);
}

我的理解是，volatile 是“用于”pointers to mapped memory and variables which can be modified by signals（并且强调 不是 用于线程安全），但很容易想象bar 可能会编译成这样的东西：

push EAX
mov EAX, global_value
inc EAX
push EAX
call some_function
call foo
inc EAX
push EAX
call some_function
mov global_value, EAX
pop EAX

这显然是不正确的，但即使没有volatile，我相信根据C抽象机它是有效的。我错了还是有效？

如果是这样，在我看来volatile 经常被忽视。这将是nothing new！

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扩展示例

void baz (int* i) {
    some_function (++*i);
    foo ();
    some_function (++*i);
}

int main () {
    baz (&global_value);
}

即使bar 保证编译成正确的 dont-cache-global_value 实现，baz 是否同样正确，或者是否允许缓存*i 的非易失性值？

Answer 1

不，volatile 关键字在这里不是必需的。由于global_value 在函数bar 之外可见，因此编译器不能假定调用另一个函数时它保持不变。

[2011-07-28 更新] 我找到了一个很好的引文来证明这一切。它在 ISO C99, 5.1.2.3p2 中，我懒得在这里完整复制。它说：

在称为sequence points的执行序列中的某些指定点，之前评估的所有副作用都应该是完整的，并且后续评估的副作用应该没有发生。

序列点包括：

• 在计算参数后调用函数 (6.5.2.2)。
• 完整表达式的结尾：[...] 表达式语句 (6.8.3) 中的表达式； [...]

你有证据。

Answer 2

volatile 的唯一用途涉及longjmp、信号处理程序、内存映射设备驱动程序以及编写您自己的低级多线程同步原语。然而，对于最后一次使用，volatile 是不够的，甚至可能没有必要。您肯定还需要 asm（或特定于编译器或 C1x 原子）来进行同步。

volatile 不能用于任何其他用途，包括您询问的代码。

Answer 3

正如 Roland 所说，我不确定该引用标准的哪个部分来说，“如果程序修改了某些东西，这意味着对象在抽象机器中被修改。如果程序使用一个值，这意味着它使用对象在抽象机器中的任何值”。

volatile 控制读取和写入内存的次数和顺序，但即使没有volatile，缓存值作为优化的实现也必须尊重抽象机的行为。这就是“as-if”规则所说的，所以不遵守的优化对我来说并不“容易想象”;-) 你提出的发射代码对我来说显然是错误的，就像说，“写可能会去到内存而不更新或弄脏 L1 缓存，因此未来的读取仍会看到缓存中的旧值”。不是在单个内核上，它不会，因为这样的缓存会被破坏。

如果您调用strcpy，然后检查目标缓冲区的内容，则不允许编译器通过使用存储在寄存器中的该字节的先前值来“优化”。 strcpy 不需要 volatile char *。同样，global_value 也不必是volatile。

我想混淆可能是在多线程代码中，“然后”，即读取是否发生在写入“之后”并因此“看到”新值，是由同步原语定义的。在某些实现中，volatile 由于实现特定的保证而与同步有关。

在单线程代码中，在 C 和 C++ 标准中，“然后”是由序列点定义的，在给出的代码中有很多。

Answer 4

没有。全局变量不应总是声明为 volatile。

只有当它可以被其他线程更改并且可能遭受内存重新排序问题或编译器指令重新排序时，您才真正需要它是易失性的。即使这样，如果你有适当的互斥，你也不需要它。但是，通常情况下，如果您需要对全局变量进行互斥，您的设计可能很糟糕。

编辑：让它成为 volatile 并不意味着全局变量是线程安全的！

其他典型用途可能是以不寻常的方式访问内存 - 例如，如果您在嵌入式微控制器上有一些 DMA 映射内存。

Answer 5

此示例中不需要易失性。例如，如果 some_function() 输出了某些东西，那么 asm 列表似乎会改变 c++ 机器的可观察行为并且违反标准。

我猜这是编译器错误这里是 GCC 汇编器输出：

.cfi_def_cfa_register 5
subl    $24, %esp
.loc 1 67 0
movl    global_value, %eax
addl    $1, %eax
movl    %eax, global_value
movl    global_value, %eax
movl    %eax, (%esp)
call    _Z13some_functioni
.loc 1 68 0
call    _Z3foov
.loc 1 69 0
movl    global_value, %eax
addl    $1, %eax
movl    %eax, global_value
movl    global_value, %eax
movl    %eax, (%esp)
call    _Z13some_functioni
.loc 1 70 0
leave
.cfi_restore 5

global_value 在函数调用之间按预期重新加载

volatiles 也用于线程安全，简单的 v-qualifier 不足以在所有情况下都用于线程安全（您有时需要额外注意原子性和内存屏障，但线程间通信变量应该是可变的...

[EDITED]: ...如果它们被重复读取并且可能在读取之间被另一个线程更改。但是，如果使用任何同步锁（互斥锁等），情况不是，因为锁保证变量不会被任何并发活动更改） （感谢 R..）