c++和java中的atomic/volatile

本文探讨了C++中atomic和volatile关键字的作用与用法。通过实例代码展示了这两个关键字如何影响变量的存储位置和内存操作的一致性,并解释了在多线程环境下使用lock前缀指令的重要性。

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看到两篇不错的文章,分别介绍atomic和olatile关键字在java和c++中的表现,很不错。

long count = 0;
for(int i=0; i<1000; i++)
    count++;
这段代码在c++中,经过编译后,count会被优化到寄存器中,++的操作也都是针对寄存器的;如果加上volatile关键字,可以保证count不会被优化到寄存器,每次都走内存;如果使用atomic<long>,除了像volatile会走内存外,还会在add指令前,加上lock前缀。

这里所有的内存只是虚指,可能在cpu cache中,cpu cache之间的同步由内存硬件保证。


http://brooker.co.za/blog/2012/11/13/increment.html

http://brooker.co.za/blog/2013/01/06/volatile.html


intel的手册对lock前缀的说明如下:

  1. 确保对内存的读-改-写操作原子执行。在Pentium及Pentium之前的处理器中,带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线,使得其他处理器暂时无法通过总线访问内存。很显然,这会带来昂贵的开销。从Pentium 4,Intel Xeon及P6处理器开始,intel在原有总线锁的基础上做了一个很有意义的优化:如果要访问的内存区域(area of memory)在lock前缀指令执行期间已经在处理器内部的缓存中被锁定(即包含该内存区域的缓存行当前处于独占或以修改状态),并且该内存区域被完全包含在单个缓存行(cache line)中,那么处理器将直接执行该指令。由于在指令执行期间该缓存行会一直被锁定,其它处理器无法读/写该指令要访问的内存区域,因此能保证指令执行的原子性。这个操作过程叫做缓存锁定(cache locking),缓存锁定将大大降低lock前缀指令的执行开销,但是当多处理器之间的竞争程度很高或者指令访问的内存地址未对齐时,仍然会锁住总线。
  2. 禁止该指令与之前和之后的读和写指令重排序。
  3. 把写缓冲区中的所有数据刷新到内存中。


http://stackoverflow.com/questions/7346893/out-of-order-execution-and-memory-fences

http://stackoverflow.com/questions/558848/can-i-force-cache-coherency-on-a-multicore-x86-cpu

<think>嗯,用户让我介绍一下C++中的volatile关键字。好的,我需要先回忆一下自己对这个关键字的理解。volatileC++中通常用来告诉编译器不要对声明为volatile的变量进行优化,因为这些变量可能会在意料之外的方式被修改。比如,硬件寄存器的值或者由不同线程访问的变量,但这些情况可能不完全准确,尤其是在多线程环境下,volatile并不能保证原子性或内存可见性,对吧? 首先,我需要明确volatile的主要作用。它的作用是防止编译器优化,确保每次访问变量时都从内存中读取,而不是使用寄存器中的缓存值。这在嵌入式系统中处理硬件映射的寄存器时特别有用,因为硬件可能会改变这些寄存器的值,而编译器并不知道这一点。 接下来,应该举一个例子。比如,一个循环检测某个硬件状态的情况,如果变量没有声明为volatile,编译器可能会认为这个变量的值在循环中不会改变,于是优化成只读取一次,导致无限循环。而使用volatile后,每次循环都会重新读取变量的值,避免了这种优化错误。 然后,我需要区分一下volatile在多线程中的应用。很多人可能会误以为volatile可以解决线程安全问题,但实际上C++标准中volatile并不提供原子操作或内存顺序的保证。正确的做法是使用std::atomic或者互斥锁来处理多线程共享变量。这一点需要特别强调,避免用户误解。 另外,volatileconst可以同时使用吗?应该可以,比如const volatile表示变量在程序内不可修改,但可能被外部因素改变,这种情况常见于只读的硬件寄存器。 还要注意volatile变量的操作是否具有原子性。比如,对一个int类型的volatile变量,在某个平台上可能是原子操作,但这取决于具体的硬件编译器,volatile本身并不保证这一点。所以不能依赖volatile来实现线程安全的操作。 可能用户会混淆volatile内存屏障(memory barriers)的概念。需要说明volatile不涉及内存顺序的问题,它只影响编译器的优化,不会插入内存屏障指令,因此在多核环境中的可见性问题,volatile无法解决。 总结一下,volatile的关键点:防止编译器优化,适用于硬件访问信号处理等场景,不适用于多线程同步。同时,给出一个代码示例,展示使用volatile不使用的区别,帮助理解编译器优化的影响。 需要注意避免常见的误区,比如将volatile用于线程同步,或者认为它能保证操作的原子性。这部分需要明确说明,并提供正确的替代方案,比如使用C++11的原子类型或者互斥锁。 可能用户是刚开始学习C++,或者有嵌入式开发的背景,所以在解释时要兼顾不同应用场景。如果是嵌入式开发者,volatile的使用会更常见,而对于一般的应用开发,可能更需要注意多线程的情况,这时候要强调volatile的不足正确的方法。 最后,检查一下是否有遗漏的重要点,比如C++标准中对volatile的具体定义,不同编译器可能的实现差异,或者与其它语言(如Java)中volatile关键字的区别。不过为了不过于复杂,可能先专注于C++中的情况,避免混淆。 现在把这些思路整理成一个结构化的回答,先介绍volatile的作用,适用场景,示例,常见误区,以及与多线程处理的区别。确保语言简洁明了,适合不同层次的理解。</think> C++ 中,`volatile` 关键字用于告知编译器:**该变量的值可能以编译器无法预测的方式被修改**,因此必须避免对其进行优化。它的核心作用是强制程序在每次访问变量时,都直接从内存中读取或写入,而不是依赖编译器的缓存或优化假设。 -- ### **主要作用** 1. **禁用编译器优化** 编译器通常会通过缓存变量值到寄存器、省略重复读取等方式优化代码。但若变量可能被外部因素(如硬件、中断、信号处理函数等)修改,这种优化会导致程序行为错误。`volatile` 会强制每次访问变量时都从内存操作。 2. **适用场景** - 硬件寄存器访问(如嵌入式开发中,寄存器的值可能被硬件改变)。 - 信号处理函数中修改的变量。 - 内存映射 I/O 操作。 - *注意:多线程共享变量一般需用 `std::atomic` 或互斥锁,而非仅靠 `volatile`。* --- ### **代码示例** ```cpp // 未使用 volatile:编译器可能优化为死循环 bool flag = false; // 使用 volatile:强制每次检查 flag 的真实值 volatile bool flag = false; void wait_for_flag() { while (!flag) { // 若未用 volatile,编译器可能认为 flag 不变,直接优化为无限循环 // 等待外部修改 flag(如中断或另一个线程) } } ``` --- ### **常见误区** 1. **与多线程无关** `volatile` **不保证原子性**(如多线程中的读-改-写操作)**内存可见性**(不解决 CPU 缓存一致性问题)。多线程同步应使用 `std::atomic` 或互斥量(`std::mutex`)。 2. **与 const 的结合** 可以声明 `const volatile`,表示变量在代码中不可修改,但可能被外部因素改变(如只读硬件寄存器)。 3. **不替代内存屏障** `volatile` 不生成内存屏障指令,无法解决多核 CPU 的指令重排序问题。 --- ### **对比 `std::atomic`** | 特性 | `volatile` | `std::atomic` | |--------------------|---------------| | 编译器优化 | 禁用缓存优化 | 禁用优化,并提供原子操作 | | 原子性保证 | ❌ 无 | ✔️ 有(取决于类型平台) | | 内存顺序控制 | ❌ 无 | ✔️ 可指定内存顺序(如 `memory_order_relaxed`) | | 适用场景 | 硬件/外部修改的变量 | 多线程共享变量 | --- ### **总结** - **何时用 `volatile`**:处理可能被外部修改的变量(如硬件寄存器、信号处理函数修改的变量)。 - **何时不用 `volatile`**:多线程共享变量应优先使用 `std::atomic` 或锁机制。 - **关键区别**:`volatile` 解决编译器优化问题,而 `std::atomic` 解决并发原子性内存可见性问题。
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