C++面试基础系列-volatile

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C++面试基础系列-volatile

1.volatile核心规则

  • volatile修饰变量或指针功能
    • 告诉编译器，被volatile修饰的变量或指针（寄存器或硬件寄存器），不要进行优化
    • 变量或指针在中断服务子程序，用户函数中同时调用，不要进行优化
    • 多线程，多任务同时调用变量或指针，使用volatile修饰，表示每次操作该变量或指针，都要从内存中取最新的值进行操作。
  • 简单来说
    • 编译器，不要优化
    • 从内存取值

2.C与C++中volatile区别

  • 在C和C++中，volatile关键字都用于告诉编译器一个变量可能会在程序的控制之外被改变，通常是由于硬件的作用。尽管C和C++都支持volatile，但它们在某些方面存在一些差异：

2.1.C语言中的volatile

  • 在C语言中，volatile主要用于多线程环境或中断服务例程（ISR）中，指示编译器该变量可能会在任何时候被改变，因此每次使用时都应该从内存中重新读取，而不是从寄存器中。
  • C标准并没有详细说明volatile的所有行为，尤其是在多线程同步方面。

2.2.C++中的volatile

  • C++中的volatile用法与C类似，但C++标准对volatile的行为有更明确的定义，特别是在多线程环境中。
  • 在C++11及以后的版本中，标准定义了内存模型，volatile变量的访问将遵循这些规则，以确保在多线程环境中对它们的访问是原子的（如果需要）。

2.3.原子性和顺序

  • 在C++11中，volatile关键字不保证操作的原子性，即使在多线程环境中也是如此。如果需要原子性，C++提供了std::atomic模板和相关的原子操作函数。
  • C++中的volatile也不保证编译器不会重排相关操作的顺序，这与C类似。

2.4.易失性

  • 在C和C++中，volatile都可以用来指示编译器一个变量是易失性的，即它可能会因为外部硬件事件而改变。

2.5.优化

  • 由于volatile告诉编译器变量可能在任何时候改变，编译器将不会对这个变量进行优化。

2.6.使用场景

  • 在嵌入式编程中，volatile经常用于访问内存映射的硬件寄存器，因为这些寄存器可能会被外部硬件改变。

2.7.C++特有的特性

  • C++中volatile的使用可能会受到C++特有的特性影响，如类和对象模型。例如，C++中的volatile成员变量需要特别注意，因为它们的行为可能不如预期。

2.8.C++20引入的变化（如果有）

  • C++20标准可能会对volatile有进一步的说明或改进，但截至知识截止日期，这些变化尚未明确。

总结来说，C和C++中的volatile在基本用途上相似，但C++标准提供了更明确的定义，尤其是在多线程环境中。在C++中，如果需要原子性或线程安全的同步，应该使用std::atomic或其他同步机制，而不是仅仅依赖volatile。

3.volatile常见面试问题

在面试中，volatile 关键字是一个常见的话题，以下是一些可能会问到的问题以及相关的答案：

  1. volatile 关键字是什么？
    volatile 是一种类型修饰符，用于告诉编译器该变量可能会在程序的控制之外被改变，例如由中断服务程序、多线程或硬件修改。使用 volatile 可以防止编译器对这些变量进行优化，确保每次访问都直接从内存中读取或写入，从而保证数据的一致性。
  2. volatile 变量的可见性如何保证？
    volatile 变量保证了对所有线程的可见性。当一个线程修改了一个 volatile 变量时，其他线程能够立即看到这个修改，这是因为 volatile 变量的写操作会立即刷新到主内存中，而读操作会从主内存中读取最新值。
  3. volatile 能否保证原子性？
    volatile 关键字不能保证操作的原子性。它只能确保单次的读/写操作具有原子性，但对于复合操作，如自增（i++），volatile 无法保证整个操作的原子性。因此，对于需要原子性保证的操作，应该使用其他同步机制，如 synchronized 或 AtomicInteger。
  4. volatile 变量在多线程中的使用场景有哪些？
    volatile 变量适用于多线程环境下的某些特定场景，例如：
    • 作为状态标志，用于控制线程间的协调，如退出循环的条件。
    • 在没有其他同步机制的情况下，用于保护简单的状态变量，以确保变量的可见性和有序性。
    • 与锁结合使用，实现读写锁模式，提高性能。
  5. volatile 与 const 的区别是什么？
    const 关键字用于定义常量，即值不能被修改的变量。而 volatile 用于定义可能会在程序的控制之外被改变的变量。const 保证的是值的不变性，而 volatile 保证的是变量的可见性和禁止指令重排序。
  6. volatile 指针是什么？
    volatile 指针是指指向的变量可能会在程序的控制之外被改变的指针。它可以是指向 volatile 变量的指针，也可以是指针本身的值是 volatile 的。在使用 volatile 指针时，编译器不会对通过该指针进行的操作进行优化。
  7. 在嵌入式系统中，volatile 的作用是什么？
    在嵌入式系统中，volatile 通常用于声明与硬件寄存器相关的变量，以确保编译器不会对与硬件交互的代码进行优化。这是因为硬件寄存器的值可能会由硬件本身的操作所改变，需要每次访问时都从内存中读取最新值。
  8. volatile 能否替代 synchronized？
    volatile 在某些情况下可以作为 synchronized 的轻量级替代，特别是在读操作远多于写操作的场景下。但是，由于 volatile 不能保证复合操作的原子性，它不能完全替代 synchronized。在需要原子性保证的情况下，仍然需要使用 synchronized 或其他同步机制。

理解 volatile 的作用和限制对于编写正确的多线程程序至关重要。在面试中，展示对 volatile 的深入理解可以体现候选人的专业知识和经验。

4.volatile与const与指针

  • （1）一个参数既可以是const还可以是volatile吗？为什么？
    可以。一个例子是只读的状态寄存器。它是volatile因为它可能被意想不到地改变。它是const因为程序不应该试图去修改它。
  • （2）一个指针可以是volatile吗？为什么？
    可以。尽管这并不常见。一个例子是当一个中断服务子程序修改一个指向一个buffer的指针时。

5.应用场景

在嵌入式系统开发中，正确地使用 volatile 关键字对于避免硬件中断对程序执行的影响至关重要。以下是一些关于如何在嵌入式系统中使用 volatile 的关键点：

  • 防止编译器优化：volatile 告诉编译器，即使在代码中看似没有改变，变量的值也可能在任何时候改变，因此编译器不应进行优化
  • 中断服务程序中的变量：在中断服务程序（ISR）中，经常需要访问或修改一些变量。如果这些变量在主程序中也被访问，那么它们应该被声明为 volatile，以确保每次访问时都能获取最新的值
  • 多线程共享变量：在多线程环境中，如果多个任务共享某些变量，并且这些变量的值可能被任何一个任务改变，那么这些变量也应该被声明为 volatile，以确保所有任务都能看到其他任务对共享变量的最新修改
  • 硬件寄存器访问：在嵌入式编程中，硬件寄存器的值可能会被硬件本身的操作所改变。使用 volatile 修饰硬件寄存器可以确保每次访问都是直接从硬件寄存器中读取，而不是从CPU缓存中
  • 保证内存顺序：volatile 还可以防止编译器和处理器对指令的重排序，确保指令按照代码中的顺序执行，这对于中断和主程序之间的同步尤为重要
  • 使用场景：volatile 适用于并行设备的硬件寄存器、中断服务子程序中访问的非自动变量、多线程应用中被多个任务共享的变量，以及需要防止编译器优化的情况，如for循环延时程序
  • 注意限制：虽然 volatile 可以确保变量的可见性，但它不保证操作的原子性。在多线程环境中，如果需要原子性，还需要使用其他同步机制，如互斥锁
  • 性能影响：使用 volatile 可能会降低程序的性能，因为它阻止了编译器进行某些优化。因此，只有在必要时才应该使用 volatile

总结来说，volatile 在嵌入式系统中是一个关键的关键字，用于确保变量的值能够反映出最新的状态，特别是在中断服务程序和多线程环境中。然而，开发者应当谨慎使用，避免滥用，同时注意它并不能替代其他同步机制来保证操作的原子性。

6.应用示例

（1）并行设备的硬件寄存器（如状态寄存器）。

  • 假设要对一个设备进行初始化，此设备的寄存器为0x0x80008004。
unsigned int  *output = (unsigned  int *)0x0x80008004; //定义一个IO端口；  
int main(void)  
{  
    int i;  
    for(i=0;i< 10;i++)
    {  
      *output = i;  
    }  
}
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  • 如果开启的 -O3 优化，那么经过编译器优化后，编译器认为前面循环，对最后的结果毫无影响。
  • 最终只是将output这个指针赋值为 9，所以汇编后的程序相当于：
int  init(void)  
{  
    *output = 9;  
}
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  • 如果你需要程序完全按照你所写程序运行，那就用volatile修饰变量。
  • 通知编译器这个变量是一个不稳定的，在遇到此变量时候不要优化。

（2）一个中断服务子程序中访问到的变量；

static int i=0;

int main()
{
    while(1)
    {
    if(i) dosomething();
    }
}

/* Interrupt service routine */
void IRS()
{
 i=1;
}
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  • 上面示例程序的本意是产生中断时，由中断服务子程序IRS响应中断，变更程序变量i，使在main函数中调用dosomething函数，
  • 但是，由于编译器判断在main函数里面没有修改过i，因此可能只执行一次对从i到某寄存器的读操作，然后每次if判断都只使用这个寄存器里面的“i副本”，导致dosomething永远不会被调用。
  • 如果将变量i加上volatile修饰，则编译器保证对变量i的读写操作都不会被优化，从而保证了变量i被外部程序更改后能及时在原程序中得到感知。

（3）多线程应用中被多个任务共享的变量。

  • 当多个线程共享某一个变量时，该变量的值会被某一个线程更改，应该用 volatile 声明。
  • 作用是防止编译器优化把变量从内存装入CPU寄存器中，当一个线程更改变量后，未及时同步到其它线程中导致程序出错。
  • volatile的作用是让编译器每次操作该变量时一定要从内存中真正取出，而不是使用已经存在寄存器中的值。示例如下：
volatile  bool bStop=false;  //bStop 为共享全局变量  
//第一个线程
void threadFunc1()
{
    ...
    while(!bStop){...}
}
//第二个线程终止上面的线程循环
void threadFunc2()
{
    ...
    bStop = true;
}
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  • 要想通过第二个线程终止第一个线程循环，如果bStop不使用volatile定义，那么这个循环将是一个死循环，因为bStop已经读取到了寄存器中，寄存器中bStop的值永远不会变成FALSE，
  • 加上volatile，程序在执行时，每次均从内存中读出bStop的值，就不会死循环了。

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