C99中的restrict和C89的volatile关键字

本文详细解析了C++中restrict和volatile关键字的功能、用法及注意事项,包括它们如何影响编译器的优化行为,以及在不同场景下的应用实例。重点强调了restrict关键字在确保唯一访问路径方面的限制,以及volatile关键字阻止编译器优化以确保变量不受外部修改的影响。

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1、restrict

它只可以用于限定指针,告知编译器该指针是访问一个数据对象的唯一且初始的方式。即不存在其它进行修改操作的途径。

主要作用是可以让编译器进行一些优化,生成更高效的目标代码。

看个例子:

int foo(int *a,int *b)
{
	*a = 1;
	*b = 2;
	return *a;
}

int main()
{
	int *p, *q, ret;

	ret = foo(p, q);

	return 0;
}

我们用gcc -O2 -std=c99选项进行编译,foo()的反汇编如下图:


我们把foo()改为:

int foo(int *restrict a,int *restrict b)
{
	*a = 1;
	*b = 2;
	return *a;
}
依然O2编译:


可以清楚地看到,编译器对返回值做了优化处理.

之所以前一个例子,返回值要从内存中获取,是因为编译器不确定指针a是不是唯一的一个可以访问到那片内存的指针,又可能还有其他指针访问或修改了那片内存。因此,即使是O2优化,返回值还是从内存中得来的,编译器是要保证百分之百的正确。

后面一个例子,明确告知了编译器,a是唯一访问到a所指向的内存的指针,所以编译器可以放心大胆地直接向寄存器写返回值。


然而,标准里还有这样的话:

If the declaration of intent is not followed and the object is accessed by an independent pointer, this will result in undefined behavior

我们把main函数改成这样:

int foo(int *restrict a,int *restrict b)
{
	*a = 1;
	*b = 2;
	return *a;
}

int main()
{
	int *p, *q, ret;

	ret = foo(p, p);

	return 0;
}
这样,按照本意,ret的值应该为2才对,然而:



程序得到了错误的结果。

因此,正如李林老师在《Linux环境高级编程》里指出:restrict的限制(只能通过该指针访问),是由程序员来保证的,编译器并不能完全保证。[1]

再如:

int foo(int *restrict a,int *b)
{
	*a = 1;
	*b = 2;
	return *a;
}
在我的机器上反汇编,发现O1未做处理,但O2时做了优化处理。

未做优化的原因,其实是编译器对指针b的顾虑:万一b也指向的空间和a一样呢?


所以,优化需谨慎


2、volatile

与restrict让编译器优化相反,volatile是阻止编译器优化。简单地说,volatile告诉编译器该被变量除了可被程序修改外,还可能被其他代理、线程修改。因此,当使用volatile 声明的变量的值的时候,系统总是重新从它所在的内存读取数据,而不使用寄存器中的缓存的值。

继续看个例子:

static int flag;

void foo()
{
	flag = 0;
	while (flag < 2) 
		;
}

int main()
{
	foo();
	return 0;
}

依然用-O2选项:



注意圈出来的那一行,这是一个死循环,也就是说,flag < 2 这个条件被编译器认为是永真!所以还是这句话,优化需谨慎!

而加上关键字之后:

static volatile int flag;


注意圈出来的那一行:flag的获取是从内存中来的。


这个例子是为了说明volatile能阻止编译器做常量合并、常量传播等优化。

其他的方面的作用可以参考 [2]

一般说来,volatile用在如下的几个地方:
1、中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量需要加volatile;
2、多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile;
3、存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile说明,因为每次对它的读写都可能由不同意义;

然而矛盾的是:根据相关的标准(C,C++,POSIX,WIN32)和目前绝大多数实现,对volatile变量的操作并不是原子的,也不能用来为线程建立严格的happens-before关系。[3]


参考资料:

[1]:李林《linux程序设计实践》

[2]:详解volatile

[3]:volatile wiki

<think>好的,用户问的是“C语言loop:关键字”。首先,我需要确认用户的问题是什么。他们可能是在C语言中遇到了一个叫做“loop”的关键字,或者他们可能误解了某个结构,比如循环结构,而以为存在这样的关键字。 首先,我得回忆C语言的标准关键字列表。根据C11标准,C语言的关键字包括auto、break、case、char、const、continue、default、do、double、else、enum、extern、float、for、goto、if、int、long、register、return、short、signed、sizeof、static、struct、switch、typedef、union、unsigned、voidvolatile、while,以及C99新增的inline、restrict、_Bool、_Complex、_Imaginary,还有C11增加的_Alignas、_Alignof、_Atomic、_Generic、_Noreturn、_Static_assert、_Thread_local。这些都不包括“loop”这个关键字。 所以,用户可能在代码中看到有人使用“loop:”这样的标签,比如在goto语句中作为标签使用。例如: ```c int i = 0; loop: if (i < 10) { printf("%d\n", i); i++; goto loop; } ``` 这里的“loop:”是一个标签,用于goto跳转,而不是关键字。这种情况下,用户可能误以为loop是C语言的关键字,但实际上它只是一个用户定义的标签。 另外,用户可能在使用某些库或框架时,遇到类似loop的宏或函数名,比如在Arduino编程中常见的loop()函数,但这也是用户定义的函数,并非C语言的关键字。 还有可能,用户看到某些代码中使用注释或文档中的“loop”作为标记,比如在代码示例中用注释标出循环部分,比如: ```c // loop through the array for (int i = 0; i < n; i++) { // ... } ``` 但这里的“loop”只是注释内容,不是关键字。 接下来,我需要考虑用户的背景。可能用户是刚开始学习C语言的新手,在学习循环结构时,看到某些代码示例中使用了“loop”作为标签,或者在其他上下文中看到“loop”这个词,误以为这是C语言的关键字。他们可能对goto语句不熟悉,或者对标签的用法不太清楚,导致混淆。 用户的需求可能是想了解是否存在loop这个关键字,或者如何在C语言中实现循环结构。他们可能真正的问题是如何正确使用循环,比如for、while、do-while循环,而不是使用goto标签。因此,在回答时需要澄清loop不是关键字,并引导他们使用标准的循环结构。 此外,用户可能在某些教学材料或旧代码中看到使用goto标签来实现循环,这样的代码风格通常不被推荐,尤其是在现代编程实践中,因为容易导致代码难以维护理解。因此,在解释loop标签的同时,应该建议使用标准的循环结构,并说明goto的潜在问题。 总结来说,回答需要明确以下几点: 1. C语言中没有loop关键字。 2. loop可能作为标签用于goto语句,但这是用
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