【C/C++面试必备】volatile 关键字

本文来讲解一下 C/C++ 中的关键字 volatile。在日常的使用中很少使用到，但是，在面试中经常被提起，下面具体来看一下。

volatile 的作用是什么呢？

volatile 意思是易变的，是一种类型修饰符，在C/C++中用来阻止编译器因误认某段代码无法被代码本身所改变，而造成的过度优化。编译器每次读取 volatile 定义的变量时，都从内存地址处重新取值。

这里就有点疑问了，难道编译器取变量的值不是从内存处取吗？

并不全是，编译器有时候会从寄存器处取变量的值，而不是每次都从内存中取。因为编译器认为变量并没有变化，所以认为寄存器里的值是最新的，另外，通常来说，访问寄存器比访问内存要快很多，编译器通常为了效率，可能会读取寄存器中的变量。但是，变量在内存中的值可能会被其它元素修改，比如：硬件或其它线程等。

来看一个实际的例子：

#include <stdio.h>
 
int main() {
    const int value = 10;
    int *ptr = (int*) &value;
  
    printf("初始值 : %d \n", value);
 
    *ptr = 100;
    printf("修改后的值 : %d \n", value);
    
    return 0;
}

编译程序，执行命令：

linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc main.c -o main

运行后输出：

linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc main.c -o main
linuxy@linuxy:~/volatile$ ./main 
初始值 : 10 
修改后的值 : 100 
linuxy@linuxy:~/volatile$

可以看到 value 的值变化了。

接下来再看一下编译时添加 -O 参数优化的情况，执行命令 gcc -O main.c -o main。

输出结果为：

linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc -O main.c -o main
linuxy@linuxy:~/volatile$ ./main 
初始值 : 10 
修改后的值 : 10 
linuxy@linuxy:~/volatile$

可以看到添加 -O 参数优化后， value 的值并没有变化，这里就有问题了。是因为添加了 -O 参数，编译器对代码进行了优化，忽略了对变量 value 值的更改。

-O 参数：

使用该参数，编译器会尝试减少代码大小和执行时间，但不执行需要占用大量编译时间的优化。优化编译需要占用更多的时间，对于大型函数需要占用更大的内存。

来看一下上面例子优化前和优化后代码大小的对比：

linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc main.c -o main
linuxy@linuxy:~/volatile$ ls -al main
-rwxrwxr-x 1 linuxy linuxy 16752 7月  18 14:38 main
linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc -O main.c -o main
linuxy@linuxy:~/volatile$ ls -al main
-rwxrwxr-x 1 linuxy linuxy 16704 7月  18 14:38 main
linuxy@linuxy:~/volatile$ 

可以看到，优化后文件变小了。

那再看一下给上面的代码添加上 volatile 关键字后会怎样？

#include <stdio.h>
 
int main() {
    volatile const int value = 10;
    int *ptr = (int*) &value;
  
    printf("初始值 : %d \n", value);
 
    *ptr = 100;
    printf("修改后的值 : %d \n", value);
 
    return 0;
}

执行命令编译程序：

linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc -O main.c -o main

输出为：

linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc -O main.c -o main
linuxy@linuxy:~/volatile$ ./main 
初始值 : 10 
修改后的值 : 100 
linuxy@linuxy:~/volatile$

可以看到，即使添加了 -O 参数优化程序， value 的值依然被改变了。 

最后，看一下 volatile 是怎样使用的。

1. 修饰普通变量

volatile 类型 变量
 
类型 volatile 变量

volatile 放置到类型前后都可以。例如：

#include <stdio.h>
 
int main() {
    volatile int a = 10;
    int volatile b = 20;
    printf("a = %d\nb = %d\n", a, b);
}

编译后输出：

linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc -o main main.c
linuxy@linuxy:~/volatile$ ./main 
a = 10
b = 20
linuxy@linuxy:~/volatile$

2. 修饰指针

修饰指针和 const 类似（volatile 和 const 都是类型修饰符），有三种形式：

volatile int *p;
int*  volatile p;
volatile 类型*  volatile 变量;

看一下具体的代码：

#include <stdio.h>
 
int main() {
    int a = 10;
    volatile int* p = &a;
    int* volatile q = &a;
    volatile int* volatile x = &a;
 
    printf("*p = %d\n*q = %d\n*x = %d\n", *p, *q, *x);
}

编译后输出为：

linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc -o main main.c
linuxy@linuxy:~/volatile$ ./main 
*p = 10
*q = 10
*x = 10
linuxy@linuxy:~/volatile$ 

3. 作为函数参数

作为函数参数需要注意，例如：

int square(volatile int *ptr)
{
        return *ptr * *ptr;
}

编译器处理的逻辑类似于以下情况：

int square(volatile int *ptr) 
{
    int a,b;
    a = *ptr;
    b = *ptr;
    return a * b;
}

因为 ptr 被声明为 volatile，所以 a 和 b 的值可能是不一样的，所以最好采用如下这种方式：

long square(volatile int *ptr) 
{
    int a;
    a = *ptr;
    return a * a;
}

参考文献：

[1] https://stackoverflow.com/questions/4437527/why-do-we-use-volatile-keyword

[2] https://www.geeksforgeeks.org/understanding-volatile-qualifier-in-c/