C++ volatile关键字：何时使用以及最佳实践 #

引言 #

在C++编程中，volatile 关键字常常被误解或使用不当。本文将深入探讨什么时候需要使用 volatile，以及它与多线程编程的关系。

volatile 的基本概念 #

让我们从一个简单的例子开始：

int a = 100;
while (a == 100) {
    // do something
}

这段程序编译时，如果编译器发现程序始终没有企图改变 a 的值，那它可能就会优化这段代码，变成 while(true) 的死循环使得程序执行的更快，然而这种优化有时候会变成过度优化，编译器有时候可能没有意识到程序会改变 a 的值，却做了这种优化导致程序没有产生预期的行为。

这里为了产生预期的行为，需要阻止编译器做这种优化，可以使用 volatile 关键字修饰。

volatile int a = 100;

volatile 关键字和 const 关键字相对应，const 关键字告诉编译器其修饰的变量是只读的，编译器根据只读属性做一些操作，而 volatile 关键字告诉编译器其修饰的变量是易变的，同理编译器根据易变属性也会做一些操作。它会确保修饰的变量每次都读操作都从内存里读取，每次写操作都将值写到内存里。volatile 关键字就是给编译器做个提示，告诉编译器不要对修饰的变量做过度的优化，提示编译器该变量的值可能会以其它形式被改变。

volatile 的特性 #

内存可见性：
- volatile 告诉编译器每次访问该变量都要从内存读取
- 防止编译器对访问该变量的代码做优化
结构体成员的 volatile 特性：
- 当结构体被声明为 volatile 时，其所有成员都具有 volatile 特性
- 这与 const 限定符的行为类似
原子性问题：
- volatile 不能保证操作的原子性
- 在多线程环境中需要使用 atomic 类型

volatile 修饰结构体时，结构体的成员也是 volatile 的吗 #

struct A {    int data;};
volatile A a;
const A b;

答案是结构体内所有的都是 volatile，引用 c++ 标准里的一句话：

[Note: volatile is a hint to the implementation to avoid aggressive optimization involving the object because the value of the object might be changed by means undetectable by an implementation. See 1.9 for detailed semantics. In general, the semantics of volatile are intended to be the same in C + + as they are in C. ]

这里大体可以理解为一个对象是 volatile，那对象里所有的成员也都是 volatile。其实 const 和 volatile 可以理解为是硬币的两面，我们经常听到看到传说中的 CV 修饰词就是 const 和 volatile 关键字。

volatile 可以保证原子性吗 #

想必大家都知道答案，volatile 只保证内存可见性，不能保证操作是原子的，拿 i++ 举例：

volatile int i = 0;
i++; // i = i + 1

i++ 相当于 i = i + 1，而 i = i + 1 其实可以分解为好几步：

先读取 i 的值到 tmp
增加 tmp 的值
把 tmp 的值写回到 i 的地址里

而 volatile 只能保证内存可见，可以理解为上述三步中的每一步都是原子的，但是三步合起来却不一定是原子的，因为在多线程中三步中间可能插入一些其它操作改变了预期的行为，所以 volatile 不能用在多线程中，多线程中的原子操作还是需要使用 atomic。单例模式的 double check 方法中 instance 变量为什么需要使用 volatile 修饰也是这个原理。

小总结 #

tips： volatile 不能解决多线程安全问题，针对特种内存才需要使用 volatile，它和 atomic 的特点如下：

std::atomic 用于多线程访问的数据，且不用互斥量，用于并发编程中
volatile 用于读写操作不可以被优化掉的内存，用于特种内存中

总结 #

volatile 关键字主要用于：

防止编译器对特定内存访问做优化
用于特殊内存区域的访问
不能解决多线程同步问题

注意事项：

std::atomic 用于多线程访问的数据
volatile 用于特殊内存访问场景

C++ volatile关键字详解 | 内存优化与特殊内存访问