C++深入理解mutable和volatile關鍵字

　　C++中修飾數據可變的關鍵字有三個：const、volatile和mutable。const比較好理解，表示其修飾的內容不可改變（至少編譯期不可改變），而volatile和mutable恰好相反，指示數據總是可變的。mutable和volatile均可以和const搭配使用，但兩者在使用上有比較大差別。

一、mutable關鍵字

　　mutable的中文意思是“可變的，易變的”，跟constant（既C++中的const）是反義詞。
　　在C++中，mutable也是為了突破const的限制而設置的。被mutable修飾的變量，將永遠處於可變的狀態，即使在一個const函數中。甚至結構體變量或者類對象為const，其mutable成員也可以被修改。mutable在類中只能夠修飾非靜態數據成員。

　　我們知道，如果類的成員函數不會改變對象的狀態，那么這個成員函數一般會聲明成const的。但是，有些時候，我們需要在const的函數里面修改一些跟類狀態無關的數據成員，那么這個數據成員就應該被mutalbe來修飾。下面是一個小例子：

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

　　類ClxTest的成員函數Output是用來輸出的，不會修改類的狀態，所以被聲明為const的。函數OutputTest也是用來輸出的，里面調用了對象lx的Output輸出方法，為了防止在函數中調用其他成員函數修改任何成員變量，所以參數也被const修飾。
　　如果現在，我們要增添一個功能：計算每個對象的輸出次數。如果用來計數的變量是普通的變量的話，那么在const成員函數Output里面是不能修改該變量的值的；而該變量跟對象的狀態無關，所以應該為了修改該變量而去掉Output的const屬性。這個時候，就該我們的mutable出場了——只要用mutalbe來修飾這個變量，所有問題就迎刃而解了。下面是修改過的代碼：

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;
}

　　計數器m_iTimes被mutable修飾，那么它就可以突破const的限制，在被const修飾的函數里面也能被修改。mutable只能作用在類成員上，指示其數據總是可變的。不能和const 同時修飾一個成員，但能配合使用：const修飾的方法中，mutable修飾的成員數據可以發生改變，除此之外不應該對類/對象帶來副作用。考慮一個mutable的使用場景：呼叫系統中存有司機(Driver)的信息，為了保護司機的隱私，司機對外展現的聯系號碼每隔五分鍾從空閑號碼池更新一次。

const方法中不允許對常規成員進行變動，但mutable成員不受此限制。對Driver類來說，其固有屬性（姓名、年齡、真實手機號等）未發生改變，符合const修飾。mutable讓一些隨時可變的展示屬性能發生改變，達到了靈活編程的目的。

二、volatile關鍵字

　　volatile原意是“易變的”，但這種解釋簡直有點誤導人，應該解釋為“直接存取原始內存地址”比較合適。“易變”是相對與普通變量而言其值存在編譯器(優化功能)未知的改變情況(即不是通過執行代碼賦值改變其值的情況)，而是因外在因素引起的，如多線程，中斷等。編譯器進行優化時，它有時會取一些值的時候，直接從寄存器里進行存取，而不是從內存中獲取，這種優化在單線程的程序中沒有問題，但到了多線程程序中，由於多個線程是並發運行的，就有可能一個線程把某個公共的變量已經改變了，這時其余線程中寄存器的值已經過時，但這個線程本身還不知道，以為沒有改變，仍從寄存器里獲取，就導致程序運行會出現未定義的行為。並不是因為用volatile修飾了的變量就是“易變”了，假如沒有外因，即使用volatile定義，它也不會變化。而加了volatile修飾的變量，編譯器將不對其相關代碼執行優化，而是生成對應代碼直接存取原始內存地址。　

　　volatile用於修飾成員或變量，指示其修飾對象可能隨時變化，編譯器不要對所修飾變量進行優化（緩存），每次取值應該直接讀取內存。由於volatile的變化來自運行期，其可以與const一起使用。兩者一起使用可能讓人費解，如果考慮場景就容易許多：CPU和GPU通過映射公用內存中的同一塊，GPU可能隨時往共享內存中寫數據。對CPU上的程序來說，const修飾變量一直是右值，所以編譯通過。但其變量內存中的值在運行期間可能隨時在改變，volatile修飾是正確做法。　

　　在多線程環境下，volatile可用作內存同步手段。例如多線程爆破密碼：

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

　　在volatile的修飾下，每次循環都會檢查內存中的值，達到同步的效果。需要注意的是，volatile的值可能隨時會變，期間會導致非預期的結果。例如下面的例子求平方和：

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

一般說來，volatile用在如下的幾個地方：

1、中斷服務程序中修改的供其它程序檢測的變量需要加volatile；

2、多任務環境下各任務間共享的標志應該加volatile；

3、存儲器映射的硬件寄存器通常也要加volatile說明，因為每次對它的讀寫都可能有不同意義；

總結

　　mutable只能用與類變量，不能與const同時使用；在const修飾的方法中，mutable變量數值可以發生改變；
　　volatile只是運行期變量的值隨時可能改變，這種改變即可能來自其他線程，也可能來自外部系統。

參考

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

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