What Volatile Means (and Doesn't Mean)

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• 来源: github.com/CppCon

摘要

本文档详细探讨了C++中volatile关键字的作用和使用方法。volatile的主要作用是防止编译器进行可能导致错误的优化，特别是在设备驱动和多线程环境中。文档指出，volatile不能保证操作的原子性，且在某些情况下可能无法正确处理线间通信。同时，文档还讨论了编译器对volatile的处理问题，指出部分编译器可能会错误地优化volatile对象的访问，导致潜在的问题。为此，文档提供了几种绕过编译器误解释的技巧，并强调了正确声明volatile对象的重要性。

AI总结

《What Volatile Means (and Doesn't Mean)》摘要：

1. **volatile的定义与作用**
- `volatile`是C++中用于防止编译器进行不利优化的关键字。它告知编译器，对象可能会被程序未直接修改的情况改变（如硬件设备或其他线程）。
- `volatile`确保对对象的访问不会被编译器优化掉，但并不能保证操作的原子性或内存顺序。

2. **volatile的必要性**
- 主要用于设备驱动和硬件编程，例如UART驱动中的设备寄存器操作。
- 防止编译器对关键代码进行错误优化，以避免潜在的运行时错误。

3. **volatile的使用方法**
- 正确声明：应作为引用或指针的目标类型，例如`std::uint32_t volatile &USTAT0`。
- `volatile`修饰符应放在正确位置，避免误解。例如，`int volatile *v[N]`和`int *volatile v[N]`含义不同。

4. **volatile的保护与不足**
- **保护**：确保每次对`volatile`对象的访问操作都被执行，不会被编译器优化掉。
- **不足**：
- 不保证原子性，例如对`v = 8.67`的操作可能被线程间观察到中间状态。
- 不保证内存顺序，非`volatile`对象的访问可能被重排，与`volatile`对象的操作顺序不同。
- 不能可靠管理多线程通信。

5. **编译器与volatile的关系**
- 编译器可能存在对`volatile`的错误处理，例如在优化时忽略其作用。
- 研究表明，许多编译器在某些情况下会生成错误代码，尤其是在优化级别较高时。

6. **工作-around方法**
- 使用非内联函数来访问`volatile`对象，避免编译器错误优化。
- 例如：

     std::uint32_t vol_read_u32(std::uint32_t volatile &v) { return v; }

这种方法确保了访问的正确性，与`volatile`的设计意图一致。

7. **总结**
- `volatile`是防止编译器错误优化的重要工具，但需正确理解其作用范围和局限性。
- 在硬件编程和多线程环境中，需结合其他机制（如锁或原子操作）以确保程序正确性。