volatile和原子量atomic如何对抗编译器优化？

废话文学上一次这么流行的时候，还是在上一次流行废话文学的时候。

抖音上有个相声演员，每天的更新就是各种片汤话和废话，絮絮叨叨一大堆，一句有用的信息都没有。评论区都是调侃：“哎吓死我了，他差点就把正事说出来了”，“有领导开会那味儿了”。

还有一个最近爆火的叫陈依涵的小姐姐，每天更新一款无用的软件，诸如输入自己身高就能得出自己身高的计算器、百进制的分秒转换器等，也是废话文学的另一种表现形式。

​与热衷于废话文学，被各种无厘头戳中笑点的我们相比，编译器就像个严肃高冷，追求效率，没有任何生活情趣的老头子一样，极其讨厌废话文学。

考虑这样一种情况：

x = 1; 
x = 0; 
x = 1; 
x = 0; 
x = 1;

编译器一看，好家伙，这不纯纯的废话嘛！

于是编译器优化时很有可能会将上述五行代码优化为一行：

x = 1;

因为它觉得你这个人的水平太挫，说话也啰嗦，它要帮帮你。

可是，我这个x是表示板载LED的地址啊，我这么干，其实是想让这个LED闪烁...

这种编译器优化带来的问题，即使是原子量atomic也无能为力。此时我们从武器库里找到了另一把武器：volatile。

volatile

volatile会告知编译器，对这种情况不要进行优化，保留这些看似冗余加载和废弃存储的无效操作，虽然是废话，但是我爱听。

这几乎是volatile最适用的场景了，其他场景我觉得volatile都不算是最优解。

我们来回顾一下一些教材上对C/C++里volatile关键字的解释：

volatile提醒编译器它后面所修饰的变量随时都有可能改变，因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候，告诉编译器对该变量不做优化，都会直接从变量内存地址中读取数据，从而可以提供对特殊地址的稳定访问。

翻译翻译就是volatile会保证本线程对变量做的修改，都会立即被其他线程感知到。说官方点就是对其他线程可见，说人话就是其他线程拿到的值都是最新的，是修改生效的。

看了上篇文章的读者，一定会想到内存序。这不就是内存序的功能嘛？

而且内存序还要比它强大的多，因为volatile只能保证被volatile修饰的变量对其他线程可见，而原子量+内存序不仅可以保证对原子变量的修改对其他线程可见，还可以确保内存里其他变量的修改都对所有线程可见！

atomic

以上一篇文章《如何帮罗小猪的时间管理进一步提高性能？无锁并发！》提到过的这样一种情况为例：

‍// 计算值

data = calculate();

//设置flag，通知其他任务值已可用

flag = true;

编译器优化很有可能会把flag=true这句放到calculate计算值之前！因为它觉得两者似乎是不同的内存不同的寄存器。

编译器说我估计calculate函数还要花费一点时间才能执行完，索性就先把下面的flag=true给执行了。反正内存地址不是同一个，不冲突。

但这却有可能会让其他监听flag状态的线程提前执行，完全违背了我们的设计初衷。

这时如果我们将flag用原子量atomic来定义，用store(memory_order_release)来赋值，则可以保证上述代码的正常执行次序，防止被其他线程在flag未设置之前拿到计算值。

但这种情况，volatile是无能为力的。假如用volatile来修饰flag的话，它最多保证flag的变化能立刻被另一线程感知到，但却无法保证另一个线程拿到的data是被calculate过的。即C/C++里的volatile对于指令重排序无法进行限制。

况且，volatile还有个致命的问题是，它并不能保证变量操作的原子性。也就是说，虽然你对其他线程可见，但你的值并不一定符合预期。

比如用volatile修饰一个变量value：

volatile int value = 0;

value++;

value--;

std::cout<<value;

如果有一个线程正在执行这段代码，另一个线程去读取value的值的话，那这个值会出现无数种可能，甚至可能是负数或者一个特别大的数。

因为某个线程刚刚在value这块内存上写了一半，就被另一个线程读取，那么它读到的这个值属于未定义行为，没有任何意义。

基于以上两点，即：

1.volatile不能保证原子操作。

2.volatile不能限制指令重排序。

所以并发多任务的情况下用volatile可能并不是一个好的选择。

总结一下，像状态寄存器、映射到内存地址上的 I/O 操作、涉及硬件操作的变量需要加volatile，因为对它们的每一次操作都有其意义，并不是废话文学。

而并发时，多线程多任务环境下各任务间共享的标志，其实更应该用原子量和内存序，或者直接加互斥锁，以确保共享区操作的原子性和顺序性。

所以其实volatile和atomic是应用于不同场景的，甚至可以叠加使用。比如：

volatile std::atomic<int> value;

这个式子表示对value的操作都是原子性的，并且它的废话文学也不可以被优化掉。

后 记

最近发的文章关于C/C++语言方面的比较多，事实上我是打算先从语言基础开始，后续关于编译器、单片机、RTOS、Linux应用、内核、驱动等嵌入式相关的技术知识和经验技巧，以及博主从事过的物联网、半导体行业的实战经验和职场分享，都会陆续在这个号上发布。

还请关注。

上次用还请关注这句话结尾的时候，还是在上次文章结尾的时候。