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volatile 是C和C都支持的一个关键字#xff0c;是一种类型修饰符。这个关键字被设计用来告诉编译器#xff0c;一个变量可能会在程序之外被改变#xff0c;例如#xff0c;它可能被中断服务程序修改#xff0c;或者它可能映射到一个硬件寄存…volatile描述
volatile 是C和C都支持的一个关键字是一种类型修饰符。这个关键字被设计用来告诉编译器一个变量可能会在程序之外被改变例如它可能被中断服务程序修改或者它可能映射到一个硬件寄存器这个寄存器的值可能由硬件改变。因此编译器不应对涉及volatile变量的操作进行优化因为这些优化可能会假设变量的值在两次访问之间不会改变。
需要注意的是volatile并不能保证操作的原子性。在多线程环境中如果一个volatile变量被同时修改仍然可能会发生数据竞争。因此在多线程编程中std::atomic通常是一个更好的选择因为它不仅防止了编译器的优化还提供了原子性和内存一致性的保证。
volatile作用
以下是volatile的主要作用
防止编译器优化遇到volatile关键字声明的变量编译器对访问该变量的代码不再进行优化可以提供对特殊地址的稳定访问。确保数据一致性被volatile修饰的变量系统每次用到它时都是直接从对应的内存中提取而不会利用缓存。这样就防止了多线程操作同一变量时由于缓存导致的数据不一致性问题。
volatile数据操作示例
volatile示例多个线程将会对同一个volatile变量进行操作
#include iostream
#include thread
#include atomic
#include chrono
#include vector // 全局的volatile变量
volatile int shared_data 0; // 一个线程将会执行的任务
void increment(int n) { for (int i 0; i n; i) { shared_data;// 休眠一段时间来模拟复杂操作std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1)); }
} int main() { const int num_threads 5; const int num_increments 100; std::vectorstd::thread threads; // 创建并启动多个线程 for (int i 0; i num_threads; i) { threads.push_back(std::thread(increment, num_increments)); } // 等待所有线程完成 for (auto thread : threads) { thread.join(); } // 输出volatile变量的值 std::cout shared_data: shared_data std::endl; return 0;
}以上代码作用 示例中定义一个全局的volatile变量shared_data多个线程将会同时对这个变量进行增加操作。
每个线程将会对shared_data进行num_increments次增加操作每次增加操作后线程将会休眠一段时间来模拟复杂的操作。 主线程将会等待所有子线程完成后输出shared_data的值。
由于shared_data是volatile的所以每个线程在读取它的值时都会直接从内存中读取而不是从自己的缓存中读取这就保证了所有线程在任何时候看到的shared_data的值都是最新的。
输出结果变化原因及解决方案
如果每个线程都正确地增加了shared_data变量的值那么最终的输出应该是5005个线程每个线程增加100次总共增加500次。然而这个程序的输出可能每次都不同这是因为多个线程可能同时对shared_data变量进行操作导致数据竞争data race的问题。
但每次输出结果不是500每次都有变化原因是 数据竞争发生在至少一个线程正在写入一个内存位置并且至少有一个其他线程正在读取或写入同一个内存位置并且这两个操作中的至少一个是未同步的。在这种情况下读取操作可能会读取到一个中间值这个值是由两个写入操作的部分结果组成的。这就是为什么即使每个线程都正确地增加了shared_data的值最终的输出可能仍然是不正确的。
在C中volatile关键字并不能保证操作的原子性。即使shared_data变量是volatile的一个线程在读取它的值时可能会被另一个线程的写入操作打断导致读取到一个中间值。这就是为什么volatile关键字不能保证在多线程环境中正确地同步数据。 要解决这个问题可以使用C11引入的std::atomic库。std::atomic库提供了一种在多线程环境中安全地操作数据的方法。
以下是使用std::atomic优化后的例子
#include iostream
#include thread
#include atomic
#include chrono
#include vector// 全局的std::atomic变量
std::atomicint shared_data(0);// 线程将会执行的任务
void increment(int n) {for (int i 0; i n; i) {// 使用fetch_add方法原子地增加shared_data的值shared_data.fetch_add(1);// 休眠一段时间来模拟复杂操作std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));}
}int main() {const int num_threads 5;const int num_increments 100;std::vectorstd::thread threads;// 创建并启动多个线程for (int i 0; i num_threads; i) {threads.push_back(std::thread(increment, num_increments));}// 等待所有线程完成for (auto thread : threads) {thread.join();}// 输出std::atomic变量的值std::cout shared_data: shared_data std::endl;return 0;
}示例中shared_data变量被声明为std::atomic并且使用fetch_add方法原子地增加它的值。这样即使有多个线程同时对shared_data进行操作也不会发生数据竞争的问题因为每个操作都是原子的。这将确保每次程序的输出都是500。
分析volatile 和 std::atomic 的区别
std::atomic和volatile在内存模型上有一些不同。
首先std::atomic是C11中引入的设计用来解决多线程数据竞争问题的工具。它提供了强类型的原子操作包括load, store, exchange, compare_exchange_strong等这些都是线程安全的。这意味着当你在多线程环境下对一个std::atomic变量进行操作时这些操作是不可中断的即它们是原子的。因此不会出现一个线程正在写入数据而另一个线程读取到的是部分写入的数据这种情况。
至于std::atomic变量的读取操作是否直接从内存中读取数据还是从线程的缓存中读取这实际上取决于具体的实现和硬件架构。在大多数情况下为了提高性能现代处理器通常会使用缓存来存储最近访问的数据。当一个线程尝试读取一个std::atomic变量时如果这个变量的值已经在该线程的缓存中那么该线程可能会直接从缓存中读取这个值而不是从内存中读取。然而如果其他线程已经修改了这个变量的值并且这个新的值还没有被当前线程缓存那么当前线程将会从内存中读取这个新的值。这个过程是由硬件和操作系统自动管理的对于程序员来说是透明的。
另一方面volatile关键字告诉编译器不要优化涉及这个变量的操作但并不保证操作的原子性。也就是说如果一个volatile变量在多线程环境中被同时修改仍然可能会发生数据竞争。而且volatile并不能保证变量的值一定会从内存中读取而不是从线程的缓存中读取。 通常来说如果你已经使用了std::atomic那么通常不需要再额外使用volatile。std::atomic已经提供了你需要的所有保证。
因为std::atomic已经提供了原子性和内存一致性的保证。原子性确保了操作是不可中断的即它们要么完全执行要么完全不执行。内存一致性保证了所有线程看到的变量值是一致的。这意味着当一个线程修改了一个std::atomic变量的值其他线程将会立即看到这个新的值而不管它们是否有自己的缓存。
因此通常建议只使用std::atomic来处理多线程环境中的共享变量。
volatile关键字用法示例
对寄存器进行赋值时可以使用volatile关键字。volatile关键字告诉编译器变量的值可能会在程序之外被改变因此编译器不应对涉及该变量的操作进行优化。
在某些情况下寄存器的值可能会被硬件或其他中断服务程序修改。如果在程序中访问这样的寄存器并且希望每次访问都能得到最新的值那么可以使用volatile关键字来声明该寄存器变量。
需要注意的是volatile并不能保证操作的原子性。如果有多个线程或中断服务程序同时修改同一个寄存器变量仍然可能会发生数据竞争。在这种情况下需要使用其他同步机制例如锁或原子操作来确保操作的正确性和一致性。
下面使用volatile关键字对寄存器进行赋值示例
#include iostream
#include thread
#include chrono// 假设我们有一个硬件寄存器它的地址是0x12345678
#define REGISTER_ADDRESS 0x12345678// 声明一个volatile指针指向该寄存器
volatile unsigned int* registerPtr (volatile unsigned int*)REGISTER_ADDRESS;int main() {// 启动一个线程不断读取寄存器的值并输出std::thread readerThread([]{while (true) {unsigned int value *registerPtr; // 读取寄存器的值std::cout Register value: value std::endl;std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // 每隔1秒读取一次}});// 主线程不断修改寄存器的值unsigned int count 0;while (true) {*registerPtr count; // 对寄存器进行赋值std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500)); // 每隔500毫秒修改一次}// 等待读取线程结束实际上这个程序不会正常结束需要手动停止readerThread.join();return 0;
}示例中假设有一个硬件寄存器它的地址是0x12345678。
之后声明了一个volatile unsigned int*类型的指针registerPtr指向该寄存器的地址。
这样通过对registerPtr进行解引用可以读取或修改该寄存器的值。
在main函数中启动了一个线程readerThread它不断读取寄存器的值并输出到控制台。主线程则不断修改寄存器的值。由于registerPtr被声明为volatile编译器不会对涉及该指针的操作进行优化确保了每次读取和修改都能得到最新的值。
结论
万事开头难然后中间难最后结尾难。
