【C/C++面試必備】volatile 關鍵字

🎈 作者：Linux猿

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本文來講解一下 C/C++ 中的關鍵字 volatile，在日常的使用中很少使用到，但是，在面試中經常被提起，下面具體來看一下，

volatile 的作用是什么呢？

volatile 意思是易變的，是一種型別修飾符，在C/C++中用來阻止編譯器因誤認某段代碼無法被代碼本身所改變，而造成的過度優化，編譯器每次讀取 volatile 定義的變數時，都從記憶體地址處重新取值，

這里就有點疑問了，難道編譯器取變數的值不是從記憶體處取嗎？

并不全是，編譯器有時候會從暫存器處取變數的值，而不是每次都從記憶體中取，因為編譯器認為變數并沒有變化，所以認為暫存器里的值是最新的，另外，通常來說，訪問暫存器比訪問記憶體要快很多，編譯器通常為了效率，可能會讀取暫存器中的變數，但是，變數在記憶體中的值可能會被其它元素修改，比如：硬體或其它執行緒等，

來看一個實際的例子：

#include <stdio.h>

int main() {
    const int value = 10;
    int *ptr = (int*) &value;
  
    printf("初始值 : %d \n", value);

    *ptr = 100;
    printf("修改后的值 : %d \n", value);
    
    return 0;
}

編譯程式，執行命令：

linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc main.c -o main

運行后輸出：

linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc main.c -o main
linuxy@linuxy:~/volatile$ ./main 
初始值 : 10 
修改后的值 : 100 
linuxy@linuxy:~/volatile$

可以看到 value 的值變化了，

接下來再看一下編譯時添加 -O 引數優化的情況，執行命令 gcc -O main.c -o main，

輸出結果為：

linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc -O main.c -o main
linuxy@linuxy:~/volatile$ ./main 
初始值 : 10 
修改后的值 : 10 
linuxy@linuxy:~/volatile$

可以看到添加 -O 引數優化后， value 的值并沒有變化，這里就有問題了，是因為添加了 -O 引數，編譯器對代碼進行了優化，忽略了對變數 value 值的更改，

-O 引數：

使用該引數，編譯器會嘗試減少代碼大小和執行時間，但不執行需要占用大量編譯時間的優化，優化編譯需要占用更多的時間，對于大型函式需要占用更大的記憶體，

來看一下上面例子優化前和優化后代碼大小的對比：

linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc main.c -o main
linuxy@linuxy:~/volatile$ ls -al main
-rwxrwxr-x 1 linuxy linuxy 16752 7月  18 14:38 main
linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc -O main.c -o main
linuxy@linuxy:~/volatile$ ls -al main
-rwxrwxr-x 1 linuxy linuxy 16704 7月  18 14:38 main
linuxy@linuxy:~/volatile$ 

可以看到，優化后檔案變小了，

那再看一下給上面的代碼添加上 volatile 關鍵字后會怎樣？

#include <stdio.h>

int main() {
    volatile const int value = 10;
    int *ptr = (int*) &value;
  
    printf("初始值 : %d \n", value);

    *ptr = 100;
    printf("修改后的值 : %d \n", value);

    return 0;
}

執行命令編譯程式：

linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc -O main.c -o main

輸出為：

linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc -O main.c -o main
linuxy@linuxy:~/volatile$ ./main 
初始值 : 10 
修改后的值 : 100 
linuxy@linuxy:~/volatile$

可以看到，即使添加了 -O 引數優化程式， value 的值依然被改變了，

最后，看一下 volatile 是怎樣使用的，

1. 修飾普通變數

volatile 型別 變數

型別 volatile 變數

volatile 放置到型別前后都可以，例如：

#include <stdio.h>

int main() {
    volatile int a = 10;
    int volatile b = 20;
    printf("a = %d\nb = %d\n", a, b);
}

編譯后輸出：

linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc -o main main.c
linuxy@linuxy:~/volatile$ ./main 
a = 10
b = 20
linuxy@linuxy:~/volatile$

2. 修飾指標

修飾指標和 const 類似（volatile 和 const 都是型別修飾符），有三種形式：

volatile int *p;
int*  volatile p;
volatile 型別*  volatile 變數;

看一下具體的代碼：

#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 10;
    volatile int* p = &a;
    int* volatile q = &a;
    volatile int* volatile x = &a;

    printf("*p = %d\n*q = %d\n*x = %d\n", *p, *q, *x);
}

編譯后輸出為：

linuxy@linuxy:~/volatile$ gcc -o main main.c
linuxy@linuxy:~/volatile$ ./main 
*p = 10
*q = 10
*x = 10
linuxy@linuxy:~/volatile$ 

3. 作為函式引數

作為函式引數需要注意，例如：

int square(volatile int *ptr)
{
        return *ptr * *ptr;
}

編譯器處理的邏輯類似于以下情況：

int square(volatile int *ptr) 
{
    int a,b;
    a = *ptr;
    b = *ptr;
    return a * b;
}

因為 ptr 被宣告為 volatile，所以 a 和 b 的值可能是不一樣的，所以最好采用如下這種方式：

long square(volatile int *ptr) 
{
    int a;
    a = *ptr;
    return a * a;
}

參考文獻：

[1] https://stackoverflow.com/questions/4437527/why-do-we-use-volatile-keyword

[2] https://www.geeksforgeeks.org/understanding-volatile-qualifier-in-c/

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