通过反汇编分析C语言中volatile关键字的含义

最新推荐文章于 2024-05-29 20:31:25 发布

jiangfuqiang

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分类专栏： C++ 文章标签： volatile c c++ gcc vc

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本文通过使用VC2010和GCC4.4.7编译器，分析了volatile关键字如何影响C语言代码的汇编生成，特别关注了其在优化和内存读取上的区别。同时，解释了volatile变量的读写顺序如何被编译器保留，并讨论了其与memory barrier的关系。

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根据C语言标准，volatile关键字的作用是禁止编译器对相关变量的存取进行优化。本文利用VC 2010和GCC 4.4.7，分析volatile关键字对生成的汇编代码的影响，以验证volatile的具体含义。

VC 2010

以下是基础C代码

int gMark = 1;

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])  
{  
	while(gMark){
	}
	return 0;
}

以下是VC 2010 Releae编译后的汇编代码，可以看到循环直接被被优化掉了。

00A51000 jmp wmain (0A51000h)

如果把gMark声明为volatile int，再次VC 2010 Releae编译，生成的汇编代码如下，可以看到每次循环都要重新读取一次gMark所在的内存。

01071000 mov eax,dword ptr [gMark(1073018h)]

01071005 test eax,eax

01071007 jne wmain (1071000h)

GCC 4.4.7

以下是基础C代码

int gMark = 1;
int main()
{
  while(gMark){
  }
  return 0;
}

以下是g++ -O3编译后的反汇编代码，可以看到循环直接被被优化掉了，与VC完全一样。

Dump of assembler code forfunction main:

0x0000000000400680 <+0>: jmp 0x400680 <main>

Endof assembler dump.

如果把gMark声明为volatile int，g++ -O3编译后的汇编代码如下。可以看到每次循环都要重新读取一次gMark所在的内存，这点与VC完全一致。

Dumpof assembler code for function main:

0x0000000000400680 <+0>: movl $0x1,-0x4(%rsp)

0x0000000000400688 <+8>: nopl 0x0(%rax,%rax,1)

0x0000000000400690 <+16>: mov -0x4(%rsp),%eax

0x0000000000400694 <+20>: test %eax,%eax

0x0000000000400696 <+22>: jne 0x400690 <main+16>

0x0000000000400698 <+24>: repz retq

Endof assembler dump.

结论

如果不加volatile关键字，编译器对C代码中的多次读取该变量的操作，有可能只生成一次加载内存到寄存器的指令。如果加上volatile，则每次C源码中用到该变量，都需要从内存中重新加载。

其它

以上基本说明了volatile的含义。另外，如果C代码的函数中有多处对volatile变量的读写，编译器还必须在生成的汇编代码中保留这些volatile变量的读写顺序，见wiki（http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_barrier）。

还有一个经常混淆的问题是，volatile是否还定义了原子语义？用volatile修饰变量，能不能保证对一个变量的读写操作不会被其他线程打断？我们说根据C标准，volatile是没有原子语义的。另外，刚才生成的汇编代码也说明了volatile变量的读写是没有原子性的。

最后是volatile和memory barrier到底是什么关系。我的理解是，volatile是对编译器优化进行干预，memory barrier是对CPU的乱序执行进行干预，因此两者没有关系。但是有些编译器对volatile变量赋予了acquire和release语义，从而使得volatile能有一定的memory barrier的作用。详细见http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms686355。因为这和编译器以及编译器的版本是密切相关的，对于开发应用程序的程序员，就当它不存在好了。