文章來源：http://hedengcheng.com/?p=725
背景
此微博，引發了朋友們的大量討論：贊同者有之；批評者有之；當然，更多的朋友，是希望我能更詳細的解讀C/C++ Volatile關鍵詞，來佐證我的微博觀點。而這，正是我寫這篇博文的初衷：本文，將詳細分析C/C++ Volatile關鍵詞的功能 (有多種功能)、Volatile關鍵詞在多線程編程中存在的問題、Volatile關鍵詞與編譯器/CPU的關系、C/C++ Volatile與Java Volatile的區別，以及Volatile關鍵詞的起源，希望對大家更好的理解、使用C/C++ Volatile，有所幫助。
Volatile，詞典上的解釋為：易失的；易變的；易揮發的。那么用這個關鍵詞修飾的C/C++變量，應該也能夠體現出”易變”的特征。大部分人認識Volatile，也是從這個特征出發，而這也是本文揭秘的C/C++ Volatile的第一個特征。
Volatile：易變的
在介紹C/C++ Volatile關鍵詞的”易變”性前，先讓我們看看以下的兩個代碼片段，以及他們對應的匯編指令 (以下用例的匯編代碼，均為VS 2008編譯出來的Release版本)：
測試用例一：非Volatile變量
b = a + 1;這條語句，對應的匯編指令是：lea ecx, [eax + 1]。由於變量a，在前一條語句a = fn(c)執行時，被緩存在了寄存器eax中，因此b = a + 1；語句，可以直接使用仍舊在寄存器eax中的a，來進行計算，對應的也就是匯編：[eax + 1]。
測試用例二：Volatile變量
與測試用例一唯一的不同之處，是變量a被設置為volatile屬性，一個小小的變化，帶來的是匯編代碼上很大的變化。a = fn(c)執行后，寄存器ecx中的a，被寫回內存：mov dword ptr [esp+0Ch], ecx。然后，在執行b = a + 1；語句時，變量a有重新被從內存中讀取出來：mov eax, dword ptr [esp + 0Ch]，而不再直接使用寄存器ecx中的內容。
小結
從以上的兩個用例，就可以看出C/C++ Volatile關鍵詞的第一個特性：易變性。所謂的易變性，在匯編層面反映出來，就是兩條語句，下一條語句不會直接使用上一條語句對應的volatile變量的寄存器內容，而是重新從內存中讀取。volatile的這個特性，相信也是大部分朋友所了解的特性。
在了解了C/C++ Volatile關鍵詞的”易變”特性之后，再讓我們接着繼續來剖析Volatile的下一個特性：”不可優化”特性。
Volatile：不可優化的
與前面介紹的”易變”性類似，關於C/C++ Volatile關鍵詞的第二個特性：”不可優化”性，也通過兩個對比的代碼片段來說明：
測試用例三：非Volatile變量
在這個用例中，非volatile變量a，b，c全部被編譯器優化掉了 (optimize out)，因為編譯器通過分析，發覺a，b，c三個變量是無用的，可以進行常量替換。最后的匯編代碼相當簡介，高效率。
測試用例四：Volatile變量
測試用例四，與測試用例三類似，不同之處在於，a，b，c三個變量，都是volatile變量。這個區別，反映到匯編語言中，就是三個變量仍舊存在，需要將三個變量從內存讀入到寄存器之中，然后再調用printf()函數。
小結
從測試用例三、四，可以總結出C/C++ Volatile關鍵詞的第二個特性：“不可優化”特性。volatile告訴編譯器，不要對我這個變量進行各種激進的優化，甚至將變量直接消除，保證程序員寫在代碼中的指令，一定會被執行。相對於前面提到的第一個特性：”易變”性，”不可優化”特性可能知曉的人會相對少一些。但是，相對於下面提到的C/C++ Volatile的第三個特性，無論是”易變”性，還是”不可優化”性，都是Volatile關鍵詞非常流行的概念。
Volatile：順序性
C/C++ Volatile關鍵詞前面提到的兩個特性，讓Volatile經常被解讀為一個為多線程而生的關鍵詞：一個全局變量，會被多線程同時訪問/修改，那么線程內部，就不能假設此變量的不變性，並且基於此假設，來做一些程序設計。當然，這樣的假設，本身並沒有什么問題，多線程編程，並發訪問/修改的全局變量，通常都會建議加上Volatile關鍵詞修飾，來防止C/C++編譯器進行不必要的優化。但是，很多時候，C/C++ Volatile關鍵詞，在多線程環境下，會被賦予更多的功能，從而導致問題的出現。
回到本文背景部分我的那篇微博，我的這位朋友，正好犯了一個這樣的問題。其對C/C++ Volatile關鍵詞的使用，可以抽象為下面的偽代碼：
這段偽代碼，聲明另一個Volatile的flag變量。一個線程(Thread1)在完成一些操作后，會修改這個變量。而另外一個線程(Thread2)，則不斷讀取這個flag變量，由於flag變量被聲明了volatile屬性，因此編譯器在編譯時，並不會每次都從寄存器中讀取此變量，同時也不會通過各種激進的優化，直接將if (flag == true)改寫為if (false == true)。只要flag變量在Thread1中被修改，Thread2中就會讀取到這個變化，進入if條件判斷，然后進入if內部進行處理。在if條件的內部，由於flag == true，那么假設Thread1中的something操作一定已經完成了，在基於這個假設的基礎上，繼續進行下面的other things操作。
通過將flag變量聲明為volatile屬性，很好的利用了本文前面提到的C/C++ Volatile的兩個特性：”易變”性；”不可優化”性。按理說，這是一個對於volatile關鍵詞的很好應用，而且看到這里的朋友，也可以去檢查檢查自己的代碼，我相信肯定會有這樣的使用存在。
但是，這個多線程下看似對於C/C++ Volatile關鍵詞完美的應用，實際上卻是有大問題的。問題的關鍵，就在於前面標紅的文字：由於flag = true，那么假設Thread1中的something操作一定已經完成了。flag == true，為什么能夠推斷出Thread1中的something一定完成了？其實既然我把這作為一個錯誤的用例，答案是一目了然的：這個推斷不能成立，你不能假設看到flag == true后，flag = true;這條語句前面的something一定已經執行完成了。這就引出了C/C++ Volatile關鍵詞的第三個特性：順序性。
同樣，為了說明C/C++ Volatile關鍵詞的”順序性”特征，下面給出三個簡單的用例 (注：與上面的測試用例不同，下面的三個用例，基於的是Linux系統，使用的是”GCC: (Debian 4.3.2-1.1) 4.3.2″)：
測試用例五：非Volatile變量
一個簡單的示例，全局變量A，B均為非volatile變量。通過gcc O2優化進行編譯，你可以驚奇的發現，A，B兩個變量的賦值順序被調換了！！！在對應的匯編代碼中，B = 0語句先被執行，然后才是A = B + 1語句被執行。
在這里，我先簡單的介紹一下C/C++編譯器最基本優化原理：保證一段程序的輸出，在優化前后無變化。將此原理應用到上面，可以發現，雖然gcc優化了A，B變量的賦值順序，但是foo()函數的執行結果，優化前后沒有發生任何變化，仍舊是A = 1；B = 0。因此這么做是可行的。
測試用例六：一個Volatile變量
此測試，相對於測試用例五，最大的區別在於，變量B被聲明為volatile變量。通過查看對應的匯編代碼，B仍舊被提前到A之前賦值，Volatile變量B，並未阻止編譯器優化的發生，編譯后仍舊發生了亂序現象。
如此看來，C/C++ Volatile變量，與非Volatile變量之間的操作，是可能被編譯器交換順序的。
通過此用例，已經能夠很好的說明，本章節前面，通過flag == true，來假設something一定完成是不成立的。在多線程下，如此使用volatile，會產生很嚴重的問題。但是，這不是終點，請繼續看下面的測試用例七。
測試用例七：兩個Volatile變量
同時將A，B兩個變量都聲明為volatile變量，再來看看對應的匯編。奇跡發生了，A，B賦值亂序的現象消失。此時的匯編代碼，與用戶代碼順序高度一直，先賦值變量A，然后賦值變量B。
如此看來，C/C++ Volatile變量間的操作，是不會被編譯器交換順序的。
happens-before
通過測試用例六，可以總結出：C/C++ Volatile變量與非Volatile變量間的操作順序，有可能被編譯器交換。因此，上面多線程操作的偽代碼，在實際運行的過程中，就有可能變成下面的順序：
由於Thread1中的代碼執行順序發生變化，flag = true被提前到something之前進行，那么整個Thread2的假設全部失效。由於something未執行，但是Thread2進入了if代碼段，整個多線程代碼邏輯出現問題，導致多線程完全錯誤。
細心的讀者看到這里，可能要提問，根據測試用例七，C/C++ Volatile變量間，編譯器是能夠保證不交換順序的，那么能不能將something中所有的變量全部設置為volatile呢？這樣就阻止了編譯器的亂序優化，從而也就保證了這個多線程程序的正確性。
針對此問題，很不幸，仍舊不行。將所有的變量都設置為volatile，首先能夠阻止編譯器的亂序優化，這一點是可以肯定的。但是，別忘了，編譯器編譯出來的代碼，最終是要通過CPU來執行的。目前，市場上有各種不同體系架構的CPU產品，CPU本身為了提高代碼運行的效率，也會對代碼的執行順序進行調整，這就是所謂的CPU Memory Model (CPU內存模型)。關於CPU的內存模型，可以參考這些資料：Memory Ordering From Wiki；Memory Barriers Are Like Source Control Operations From Jeff Preshing；CPU Cache and Memory Ordering From 何登成。下面，是截取自Wiki上的一幅圖，列舉了不同CPU架構，可能存在的指令亂序。
從圖中可以看到，X86體系(X86，AMD64)，也就是我們目前使用最廣的CPU，也會存在指令亂序執行的行為：StoreLoad亂序，讀操作可以提前到寫操作之前進行。
因此，回到上面的例子，哪怕將所有的變量全部都聲明為volatile，哪怕杜絕了編譯器的亂序優化，但是針對生成的匯編代碼，CPU有可能仍舊會亂序執行指令，導致程序依賴的邏輯出錯，volatile對此無能為力。
其實，針對這個多線程的應用，真正正確的做法，是構建一個happens-before語義。關於happens-before語義的定義，可參考文章：The Happens-Before Relation。下面，用圖的形式，來展示happens-before語義：
如圖所示，所謂的happens-before語義，就是保證Thread1代碼塊中的所有代碼，一定在Thread2代碼塊的第一條代碼之前完成。當然，構建這樣的語義有很多方法，我們常用的Mutex、Spinlock、RWLock，都能保證這個語義 (關於happens-before語義的構建，以及為什么鎖能保證happens-before語義，以后專門寫一篇文章進行討論)。但是，C/C++ Volatile關鍵詞不能保證這個語義，也就意味着C/C++ Volatile關鍵詞，在多線程環境下，如果使用的不夠細心，就會產生如同我這里提到的錯誤。
小結
C/C++ Volatile關鍵詞的第三個特性：”順序性”，能夠保證Volatile變量間的順序性，編譯器不會進行亂序優化。Volatile變量與非Volatile變量的順序，編譯器不保證順序，可能會進行亂序優化。同時，C/C++ Volatile關鍵詞，並不能用於構建happens-before語義，因此在進行多線程程序設計時，要小心使用volatile，不要掉入volatile變量的使用陷阱之中。
Volatile：Java增強
在介紹了C/C++ Volatile關鍵詞之后，再簡單介紹一下Java的Volatile。與C/C++的Volatile關鍵詞類似，Java的Volatile也有這三個特性，但最大的不同在於：第三個特性，”順序性”，Java的Volatile有很極大的增強，Java Volatile變量的操作，附帶了Acquire與Release語義。所謂的Acquire與Release語義，可參考文章：Acquire and Release Semantics。(這一點，后續有必要的話，可以寫一篇文章專門討論)。Java Volatile所支持的Acquire、Release語義，如下：
1、對於Java Volatile變量的寫操作，帶有Release語義，所有Volatile變量寫操作之前的針對其他任何變量的讀寫操作，都不會被編譯器、CPU優化后，亂序到Volatile變量的寫操作之后執行。
2、對於Java Volatile變量的讀操作，帶有Acquire語義，所有Volatile變量讀操作之后的針對其他任何變量的讀寫操作，都不會被編譯器、CPU優化后，亂序到Volatile變量的讀操作之前進行。
通過Java Volatile的Acquire、Release語義，對比C/C++ Volatile，可以看出，Java Volatile對於編譯器、CPU的亂序優化，限制的更加嚴格了。Java Volatile變量與非Volatile變量的一些亂序操作，也同樣被禁止。
由於Java Volatile支持Acquire、Release語義，因此Java Volatile，能夠用來構建happens-before語義。也就是說，前面提到的C/C++ Volatile在多線程下錯誤的使用場景，在Java語言下，恰好就是正確的。如下圖所示：
Volatile的起源
C/C++的Volatile關鍵詞，有三個特性：易變性；不可優化性；順序性。那么，為什么Volatile被設計成這樣呢？要回答這個問題，就需要從Volatile關鍵詞的產生說起。(注：這一小節的內容，參考自C++ and the Perils of Double-Checked Locking論文的第10章節：volatile：A Brief History。這是一篇頂頂好的論文，值得多次閱讀，強烈推薦！)
Volatile關鍵詞，最早出現於19世紀70年代，被用於處理memory-mapeed I/O (MMIO)帶來的問題。在引入MMIO之后，一塊內存地址，既有可能是真正的內存，也有可能被映射到一個I/O端口。相對的，讀寫一個內存地址，既有可能操作內存，也有可能讀寫的是一個I/O設備。MMIO為什么需要引入Volatile關鍵詞？考慮如下的一個代碼片段：
在此代碼片段中，指針p既有可能指向一個內存地址，也有可能指向一個I/O設備。如果指針p指向的是I/O設備，那么(1)，(2)中的a，b，就會接收到I/O設備的連續兩個字節。但是，p也有可能指向內存，此時，編譯器的優化策略，就可能會判斷出a，b同時從同一內存地址讀取數據，在做完(1)之后，直接將a賦值給b。對於I/O設備，需要防止編譯器做這個優化，不能假設指針b指向的內容不變——易變性。
同樣，代碼(3)，(4)也有類似的問題，編譯器發現將a，b同時賦值給指針p是無意義的，因此可能會優化代碼(3)中的賦值操作，僅僅保留代碼(4)。對於I/O設備，需要防止編譯器將寫操作給徹底優化消失了——”不可優化”性。
對於I/O設備，編譯器不能隨意交互指令的順序，因為順序一變，寫入I/O設備的內容也就發生變化了——”順序性”。
基於MMIO的這三個需求，設計出來的C/C++ Volatile關鍵詞，所含有的特性，也就是本文前面分析的三個特性：易變性；不可優化性；順序性。