C++深入理解mutable和volatile关键字

　　C++中修饰数据可变的关键字有三个：const、volatile和mutable。const比较好理解，表示其修饰的内容不可改变（至少编译期不可改变），而volatile和mutable恰好相反，指示数据总是可变的。mutable和volatile均可以和const搭配使用，但两者在使用上有比较大差别。

一、mutable关键字

　　mutable的中文意思是“可变的，易变的”，跟constant（既C++中的const）是反义词。
　　在C++中，mutable也是为了突破const的限制而设置的。被mutable修饰的变量，将永远处于可变的状态，即使在一个const函数中。甚至结构体变量或者类对象为const，其mutable成员也可以被修改。mutable在类中只能够修饰非静态数据成员。

　　我们知道，如果类的成员函数不会改变对象的状态，那么这个成员函数一般会声明成const的。但是，有些时候，我们需要在const的函数里面修改一些跟类状态无关的数据成员，那么这个数据成员就应该被mutalbe来修饰。下面是一个小例子：

class ClxTest
{
　public:
　　void Output() const;
};
 
void ClxTest::Output() const
{
　cout << "Output for test!" << endl;
}
 
void OutputTest(const ClxTest& lx)
{
　lx.Output();
}

　　类ClxTest的成员函数Output是用来输出的，不会修改类的状态，所以被声明为const的。函数OutputTest也是用来输出的，里面调用了对象lx的Output输出方法，为了防止在函数中调用其他成员函数修改任何成员变量，所以参数也被const修饰。
　　如果现在，我们要增添一个功能：计算每个对象的输出次数。如果用来计数的变量是普通的变量的话，那么在const成员函数Output里面是不能修改该变量的值的；而该变量跟对象的状态无关，所以应该为了修改该变量而去掉Output的const属性。这个时候，就该我们的mutable出场了——只要用mutalbe来修饰这个变量，所有问题就迎刃而解了。下面是修改过的代码：

class ClxTest
{
　public:
　　ClxTest();
　　~ClxTest();
 
　　void Output() const;
　　int GetOutputTimes() const;
 
　private:
　　mutable int m_iTimes;
};
 
ClxTest::ClxTest()
{
　m_iTimes = 0;
}
 
ClxTest::~ClxTest()
{}
 
void ClxTest::Output() const
{
　cout << "Output for test!" << endl;
　m_iTimes++;
}
 
int ClxTest::GetOutputTimes() const
{
　return m_iTimes;
}
 
void OutputTest(const ClxTest& lx)
{
　cout << lx.GetOutputTimes() << endl;
　lx.Output();
　cout << lx.GetOutputTimes() << endl;
}

　　计数器m_iTimes被mutable修饰，那么它就可以突破const的限制，在被const修饰的函数里面也能被修改。mutable只能作用在类成员上，指示其数据总是可变的。不能和const 同时修饰一个成员，但能配合使用：const修饰的方法中，mutable修饰的成员数据可以发生改变，除此之外不应该对类/对象带来副作用。考虑一个mutable的使用场景：呼叫系统中存有司机(Driver)的信息，为了保护司机的隐私，司机对外展现的联系号码每隔五分钟从空闲号码池更新一次。

const方法中不允许对常规成员进行变动，但mutable成员不受此限制。对Driver类来说，其固有属性（姓名、年龄、真实手机号等）未发生改变，符合const修饰。mutable让一些随时可变的展示属性能发生改变，达到了灵活编程的目的。

二、volatile关键字

　　volatile原意是“易变的”，但这种解释简直有点误导人，应该解释为“直接存取原始内存地址”比较合适。“易变”是相对与普通变量而言其值存在编译器(优化功能)未知的改变情况(即不是通过执行代码赋值改变其值的情况)，而是因外在因素引起的，如多线程，中断等。编译器进行优化时，它有时会取一些值的时候，直接从寄存器里进行存取，而不是从内存中获取，这种优化在单线程的程序中没有问题，但到了多线程程序中，由于多个线程是并发运行的，就有可能一个线程把某个公共的变量已经改变了，这时其余线程中寄存器的值已经过时，但这个线程本身还不知道，以为没有改变，仍从寄存器里获取，就导致程序运行会出现未定义的行为。并不是因为用volatile修饰了的变量就是“易变”了，假如没有外因，即使用volatile定义，它也不会变化。而加了volatile修饰的变量，编译器将不对其相关代码执行优化，而是生成对应代码直接存取原始内存地址。　

　　volatile用于修饰成员或变量，指示其修饰对象可能随时变化，编译器不要对所修饰变量进行优化（缓存），每次取值应该直接读取内存。由于volatile的变化来自运行期，其可以与const一起使用。两者一起使用可能让人费解，如果考虑场景就容易许多：CPU和GPU通过映射公用内存中的同一块，GPU可能随时往共享内存中写数据。对CPU上的程序来说，const修饰变量一直是右值，所以编译通过。但其变量内存中的值在运行期间可能随时在改变，volatile修饰是正确做法。　

　　在多线程环境下，volatile可用作内存同步手段。例如多线程爆破密码：

volatile bool found = false;   
void run(string target) {
    while (!found) { 
        // 计算字典口令的哈希 
        if (target == hash) { 
            found = true; break; 
        } 
    } 
} 

　　在volatile的修饰下，每次循环都会检查内存中的值，达到同步的效果。需要注意的是，volatile的值可能随时会变，期间会导致非预期的结果。例如下面的例子求平方和：

double square(volatile double a, volatile double b) { 
    return (a + b) * (a + b); 
} 

一般说来，volatile用在如下的几个地方：

1、中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量需要加volatile；

2、多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile；

3、存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile说明，因为每次对它的读写都可能有不同意义；

总结

　　mutable只能用与类变量，不能与const同时使用；在const修饰的方法中，mutable变量数值可以发生改变；
　　volatile只是运行期变量的值随时可能改变，这种改变即可能来自其他线程，也可能来自外部系统。

参考

1. https://en.cppreference.com/w/cpp/language/cv

2. https://blog.csdn.net/aaa123524457/article/details/80967330