2018.03.19 -编译器优化以及volatile

首先看一下单词“volatile”的释义：

volatile [ˈvɑlətl]

adj.  易变的，不稳定的; （液体或油）易挥发的; 爆炸性的; 快活的，轻快的;

下边是“C++ Primer”对volatile讲解的部分摘录：

“当一个对象的值可能会在编译器的控制或监测之外被改变时，该对象应该声明为volatile。因此，编译器执行的某些例行优化行为不能应用在已经指定为volatile的对象上……volatile修饰符的主要目的是提示编译器，该对象的值可能在编译器未监测到的情况下被改变。因此编译器不能武断地对引用这些对象的代码作优化处理。”

可见，修饰符volatile定义了一个“易变的、不稳定的、随时可能改变的”变量，对于被声明为volatile的变量的使用上跟普通的变量没有什么区别，最大的影响，就是编译器不能按照常规方式对其进行优化。

这就引入了两个问题：

编译器为何对访问变量的方式做优化以及如何优化？

编译器为何优化：

首先有这么个前提明确一下：编译器对变量的存取速度，寄存器快于内存，最慢是硬盘。

寄存器快于内存的主要原因体现在两者工作方式的差别上：

寄存器本身位于CPU内部，使用起来非常简单：第一，找到相关的位，第二，读取这些位，Over。

相比之下，内存的工作方式就复杂很多：

1.找到数据的指针（指针可能存放在寄存器内，所以这一步就已经包括寄存器的全部工作了。）

2.将指针送往内存管理单元（MMU），由MMU将虚拟的内存地址翻译成实际的物理地址。

3.将物理地址送往内存控制器（memory controller），由内存控制器找出该地址在哪一根内存插槽（bank）上。

4.确定数据在哪一个内存块（chunk）上，从该块读取数据。

5.数据先送回内存控制器，再送回CPU，然后开始使用。

相对复杂的工作流程产生了更多的时延，累计起来就比寄存器慢很多，为了提高执行效率，编译器会对有必要优化的变量做访问方式上的处理，这就是编译器对变量的优化。

如何优化：

多数情况下，变量是存放在内存而非寄存器中的，这样对变量的存取效率很低。对于频繁使用的变量，编译器自动地把变量mov到寄存器里，使用的时候直接访问寄存器里的值，以加快存取速度，这就是寄存器对变量的优化。

早期C编译程序时不会把变量保存在寄存器中，除非显示使用关键字register修饰变量：

[cpp]  view plain  copy

1. register long int value=123456789;  

该关键字提醒编译器，所定义的变量会在程序中频繁被使用，建议编译器将其保存在CPU的寄存器中，以加快存取速度。其后随着编译技术的进步，编译器比程序员能更好的决定变量是应该存储在内存还是寄存器中，早在C++ 98/03标准中就明确，用register关键字声明的变量和不使用该关键字声明的变量一样，都具有自动存储期，现在在标准C++中，虽然还可以使用该关键字，但已经不再影响变量的实际定义。

对于被volatile 关键字修饰的变量，已经提前告知编译器该变量可能被某些编译器未知的因素更改，比如：操作系统、硬件或者其它线程等。遇到这个关键字声明的变量，编译器对访问该变量的代码就不再进行优化，从而可以提供对特殊地址的稳定访问，也就是说系统总是从它所在的内存地址读取数据，而非寄存器，并且使用完成之后立即按原路保存该变量的更改到内存。

volatile用法

volatile的用法跟关键字const用法一样

[cpp]  view plain  copy

1. <pre name="code" class="cpp">volatile long clock_register;  

被volatile修饰的变量表示该变量会在意想不到的情况下改变，而const修饰的变量表示变量是不可改变的，那么一个变量能否同时使用volatile和const修饰呢？

[cpp]  view plain  copy

1. volatile const long clock_register;  

[cpp]  view plain  copy

1. const volatile long clock-register;  

答案是肯定的，一个例子是只读的 状态寄存器 ，用volatile修饰表示它可能会被意想不到的情况改变，这里是指编译器外部的情况，用const修饰表示在程序内部，不应该试图去人为修改它的值。