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背景

此微博,引发了朋友们的大量讨论:赞同者有之;批评者有之;当然,更多的朋友,是希望我能更详细的解读C/C++ Volatile关键词,来佐证我的微博观点。而这,正是我写这篇博文的初衷:本文,将详细分析C/C++ Volatile关键词的功能 (有多种功能)、Volatile关键词在多线程编程中存在的问题、Volatile关键词与编译器/CPU的关系、C/C++ Volatile与Java Volatile的区别,以及Volatile关键词的起源,希望对大家更好的理解、使用C/C++ Volatile,有所帮助。

Volatile,词典上的解释为:易失的;易变的;易挥发的。那么用这个关键词修饰的C/C++变量,应该也能够体现出”易变”的特征。大部分人认识Volatile,也是从这个特征出发,而这也是本文揭秘的C/C++ Volatile的第一个特征。

Volatile:易变的

在介绍C/C++ Volatile关键词的”易变”性前,先让我们看看以下的两个代码片段,以及他们对应的汇编指令 (以下用例的汇编代码,均为VS 2008编译出来的Release版本):

测试用例一:非Volatile变量

b = a + 1;这条语句,对应的汇编指令是:lea ecx, [eax + 1]。由于变量a,在前一条语句a = fn(c)执行时,被缓存在了寄存器eax中,因此b = a + 1;语句,可以直接使用仍旧在寄存器eax中的a,来进行计算,对应的也就是汇编:[eax + 1]。

测试用例二:Volatile变量

与测试用例一唯一的不同之处,是变量a被设置为volatile属性,一个小小的变化,带来的是汇编代码上很大的变化。a = fn(c)执行后,寄存器ecx中的a,被写回内存:mov dword ptr [esp+0Ch], ecx。然后,在执行b = a + 1;语句时,变量a有重新被从内存中读取出来:mov eax, dword ptr [esp + 0Ch],而不再直接使用寄存器ecx中的内容。

小结

从以上的两个用例,就可以看出C/C++ Volatile关键词的第一个特性:易变性。所谓的易变性,在汇编层面反映出来,就是两条语句,下一条语句不会直接使用上一条语句对应的volatile变量的寄存器内容,而是重新从内存中读取。volatile的这个特性,相信也是大部分朋友所了解的特性。

在了解了C/C++ Volatile关键词的”易变”特性之后,再让我们接着继续来剖析Volatile的下一个特性:”不可优化”特性。

Volatile:不可优化的

与前面介绍的”易变”性类似,关于C/C++ Volatile关键词的第二个特性:”不可优化”性,也通过两个对比的代码片段来说明:

测试用例三:非Volatile变量

在这个用例中,非volatile变量a,b,c全部被编译器优化掉了 (optimize out),因为编译器通过分析,发觉a,b,c三个变量是无用的,可以进行常量替换。最后的汇编代码相当简介,高效率。

测试用例四:Volatile变量

测试用例四,与测试用例三类似,不同之处在于,a,b,c三个变量,都是volatile变量。这个区别,反映到汇编语言中,就是三个变量仍旧存在,需要将三个变量从内存读入到寄存器之中,然后再调用printf()函数。

小结

 

从测试用例三、四,可以总结出C/C++ Volatile关键词的第二个特性:“不可优化”特性。volatile告诉编译器,不要对我这个变量进行各种激进的优化,甚至将变量直接消除,保证程序员写在代码中的指令,一定会被执行。相对于前面提到的第一个特性:”易变”性,”不可优化”特性可能知晓的人会相对少一些。但是,相对于下面提到的C/C++ Volatile的第三个特性,无论是”易变”性,还是”不可优化”性,都是Volatile关键词非常流行的概念。

Volatile:顺序性

C/C++ Volatile关键词前面提到的两个特性,让Volatile经常被解读为一个为多线程而生的关键词:一个全局变量,会被多线程同时访问/修改,那么线程内部,就不能假设此变量的不变性,并且基于此假设,来做一些程序设计。当然,这样的假设,本身并没有什么问题,多线程编程,并发访问/修改的全局变量,通常都会建议加上Volatile关键词修饰,来防止C/C++编译器进行不必要的优化。但是,很多时候,C/C++ Volatile关键词,在多线程环境下,会被赋予更多的功能,从而导致问题的出现。

回到本文背景部分我的那篇微博,我的这位朋友,正好犯了一个这样的问题。其对C/C++ Volatile关键词的使用,可以抽象为下面的伪代码:

这段伪代码,声明另一个Volatile的flag变量。一个线程(Thread1)在完成一些操作后,会修改这个变量。而另外一个线程(Thread2),则不断读取这个flag变量,由于flag变量被声明了volatile属性,因此编译器在编译时,并不会每次都从寄存器中读取此变量,同时也不会通过各种激进的优化,直接将if (flag == true)改写为if (false == true)。只要flag变量在Thread1中被修改,Thread2中就会读取到这个变化,进入if条件判断,然后进入if内部进行处理。在if条件的内部,由于flag == true,那么假设Thread1中的something操作一定已经完成了,在基于这个假设的基础上,继续进行下面的other things操作。

通过将flag变量声明为volatile属性,很好的利用了本文前面提到的C/C++ Volatile的两个特性:”易变”性;”不可优化”性。按理说,这是一个对于volatile关键词的很好应用,而且看到这里的朋友,也可以去检查检查自己的代码,我相信肯定会有这样的使用存在。

但是,这个多线程下看似对于C/C++ Volatile关键词完美的应用,实际上却是有大问题的。问题的关键,就在于前面标红的文字:由于flag = true,那么假设Thread1中的something操作一定已经完成了。flag == true,为什么能够推断出Thread1中的something一定完成了?其实既然我把这作为一个错误的用例,答案是一目了然的:这个推断不能成立,你不能假设看到flag == true后,flag = true;这条语句前面的something一定已经执行完成了。这就引出了C/C++ Volatile关键词的第三个特性:顺序性。

同样,为了说明C/C++ Volatile关键词的”顺序性”特征,下面给出三个简单的用例 (注:与上面的测试用例不同,下面的三个用例,基于的是Linux系统,使用的是”GCC: (Debian 4.3.2-1.1) 4.3.2″):

测试用例五:非Volatile变量

一个简单的示例,全局变量A,B均为非volatile变量。通过gcc O2优化进行编译,你可以惊奇的发现,A,B两个变量的赋值顺序被调换了!!!在对应的汇编代码中,B = 0语句先被执行,然后才是A = B + 1语句被执行。

在这里,我先简单的介绍一下C/C++编译器最基本优化原理:保证一段程序的输出,在优化前后无变化。将此原理应用到上面,可以发现,虽然gcc优化了A,B变量的赋值顺序,但是foo()函数的执行结果,优化前后没有发生任何变化,仍旧是A = 1;B = 0。因此这么做是可行的。

测试用例六:一个Volatile变量

此测试,相对于测试用例五,最大的区别在于,变量B被声明为volatile变量。通过查看对应的汇编代码,B仍旧被提前到A之前赋值,Volatile变量B,并未阻止编译器优化的发生,编译后仍旧发生了乱序现象。

如此看来,C/C++ Volatile变量,与非Volatile变量之间的操作,是可能被编译器交换顺序的。

通过此用例,已经能够很好的说明,本章节前面,通过flag == true,来假设something一定完成是不成立的。在多线程下,如此使用volatile,会产生很严重的问题。但是,这不是终点,请继续看下面的测试用例七。

测试用例七:两个Volatile变量

同时将A,B两个变量都声明为volatile变量,再来看看对应的汇编。奇迹发生了,A,B赋值乱序的现象消失。此时的汇编代码,与用户代码顺序高度一直,先赋值变量A,然后赋值变量B。

如此看来,C/C++ Volatile变量间的操作,是不会被编译器交换顺序的。

happens-before

通过测试用例六,可以总结出:C/C++ Volatile变量与非Volatile变量间的操作顺序,有可能被编译器交换。因此,上面多线程操作的伪代码,在实际运行的过程中,就有可能变成下面的顺序:

由于Thread1中的代码执行顺序发生变化,flag = true被提前到something之前进行,那么整个Thread2的假设全部失效。由于something未执行,但是Thread2进入了if代码段,整个多线程代码逻辑出现问题,导致多线程完全错误。

细心的读者看到这里,可能要提问,根据测试用例七,C/C++ Volatile变量间,编译器是能够保证不交换顺序的,那么能不能将something中所有的变量全部设置为volatile呢?这样就阻止了编译器的乱序优化,从而也就保证了这个多线程程序的正确性。

针对此问题,很不幸,仍旧不行。将所有的变量都设置为volatile,首先能够阻止编译器的乱序优化,这一点是可以肯定的。但是,别忘了,编译器编译出来的代码,最终是要通过CPU来执行的。目前,市场上有各种不同体系架构的CPU产品,CPU本身为了提高代码运行的效率,也会对代码的执行顺序进行调整,这就是所谓的CPU Memory Model (CPU内存模型)。关于CPU的内存模型,可以参考这些资料:Memory Ordering From WikiMemory Barriers Are Like Source Control Operations From Jeff PreshingCPU Cache and Memory Ordering From 何登成。下面,是截取自Wiki上的一幅图,列举了不同CPU架构,可能存在的指令乱序。

从图中可以看到,X86体系(X86,AMD64),也就是我们目前使用最广的CPU,也会存在指令乱序执行的行为:StoreLoad乱序,读操作可以提前到写操作之前进行。

因此,回到上面的例子,哪怕将所有的变量全部都声明为volatile,哪怕杜绝了编译器的乱序优化,但是针对生成的汇编代码,CPU有可能仍旧会乱序执行指令,导致程序依赖的逻辑出错,volatile对此无能为力。

其实,针对这个多线程的应用,真正正确的做法,是构建一个happens-before语义。关于happens-before语义的定义,可参考文章:The Happens-Before Relation。下面,用图的形式,来展示happens-before语义:

如图所示,所谓的happens-before语义,就是保证Thread1代码块中的所有代码,一定在Thread2代码块的第一条代码之前完成。当然,构建这样的语义有很多方法,我们常用的Mutex、Spinlock、RWLock,都能保证这个语义 (关于happens-before语义的构建,以及为什么锁能保证happens-before语义,以后专门写一篇文章进行讨论)。但是,C/C++ Volatile关键词不能保证这个语义,也就意味着C/C++ Volatile关键词,在多线程环境下,如果使用的不够细心,就会产生如同我这里提到的错误。

小结

C/C++ Volatile关键词的第三个特性:”顺序性”,能够保证Volatile变量间的顺序性,编译器不会进行乱序优化。Volatile变量与非Volatile变量的顺序,编译器不保证顺序,可能会进行乱序优化。同时,C/C++ Volatile关键词,并不能用于构建happens-before语义,因此在进行多线程程序设计时,要小心使用volatile,不要掉入volatile变量的使用陷阱之中。

Volatile:Java增强

在介绍了C/C++ Volatile关键词之后,再简单介绍一下Java的Volatile。与C/C++的Volatile关键词类似,Java的Volatile也有这三个特性,但最大的不同在于:第三个特性,”顺序性”,Java的Volatile有很极大的增强,Java Volatile变量的操作,附带了Acquire与Release语义。所谓的Acquire与Release语义,可参考文章:Acquire and Release Semantics。(这一点,后续有必要的话,可以写一篇文章专门讨论)。Java Volatile所支持的Acquire、Release语义,如下:

1、对于Java Volatile变量的写操作,带有Release语义,所有Volatile变量写操作之前的针对其他任何变量的读写操作,都不会被编译器、CPU优化后,乱序到Volatile变量的写操作之后执行。

2、对于Java Volatile变量的读操作,带有Acquire语义,所有Volatile变量读操作之后的针对其他任何变量的读写操作,都不会被编译器、CPU优化后,乱序到Volatile变量的读操作之前进行。

通过Java Volatile的Acquire、Release语义,对比C/C++ Volatile,可以看出,Java Volatile对于编译器、CPU的乱序优化,限制的更加严格了。Java Volatile变量与非Volatile变量的一些乱序操作,也同样被禁止。

由于Java Volatile支持Acquire、Release语义,因此Java Volatile,能够用来构建happens-before语义。也就是说,前面提到的C/C++ Volatile在多线程下错误的使用场景,在Java语言下,恰好就是正确的。如下图所示:

Volatile的起源

C/C++的Volatile关键词,有三个特性:易变性;不可优化性;顺序性。那么,为什么Volatile被设计成这样呢?要回答这个问题,就需要从Volatile关键词的产生说起。(注:这一小节的内容,参考自C++ and the Perils of Double-Checked Locking论文的第10章节:volatile:A Brief History。这是一篇顶顶好的论文,值得多次阅读,强烈推荐!)

Volatile关键词,最早出现于19世纪70年代,被用于处理memory-mapeed I/O (MMIO)带来的问题。在引入MMIO之后,一块内存地址,既有可能是真正的内存,也有可能被映射到一个I/O端口。相对的,读写一个内存地址,既有可能操作内存,也有可能读写的是一个I/O设备。MMIO为什么需要引入Volatile关键词?考虑如下的一个代码片段:

在此代码片段中,指针p既有可能指向一个内存地址,也有可能指向一个I/O设备。如果指针p指向的是I/O设备,那么(1),(2)中的a,b,就会接收到I/O设备的连续两个字节。但是,p也有可能指向内存,此时,编译器的优化策略,就可能会判断出a,b同时从同一内存地址读取数据,在做完(1)之后,直接将a赋值给b。对于I/O设备,需要防止编译器做这个优化,不能假设指针b指向的内容不变——易变性。

同样,代码(3),(4)也有类似的问题,编译器发现将a,b同时赋值给指针p是无意义的,因此可能会优化代码(3)中的赋值操作,仅仅保留代码(4)。对于I/O设备,需要防止编译器将写操作给彻底优化消失了——”不可优化”性。

对于I/O设备,编译器不能随意交互指令的顺序,因为顺序一变,写入I/O设备的内容也就发生变化了——”顺序性”。

基于MMIO的这三个需求,设计出来的C/C++ Volatile关键词,所含有的特性,也就是本文前面分析的三个特性:易变性;不可优化性;顺序性。

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