volatile 类型限定符

 

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C 类型系统中的每个单独类型都有其几种限定版本，对应于一个、两个或全部三个限定符：const、volatile，以及对于指向对象类型的指针，restrict。本页描述了 volatile 限定符的效果。

通过 volatile 限定类型左值表达式进行的每次访问（读和写）都被视为优化的可观察副作用，并严格按照抽象机器的规则进行评估（即，所有写入都在下一个序列点之前的某个时间完成）。这意味着在单个执行线程中，volatile 访问不能被优化掉，也不能相对于与 volatile 访问通过序列点分离的另一个可见副作用进行重新排序。

将非 volatile 值强制转换为 volatile 类型没有效果。要使用 volatile 语义访问非 volatile 对象，必须将其地址强制转换为指向 volatile 的指针，然后通过该指针进行访问。

任何通过非 volatile 左值读写 volatile 限定类型的对象的尝试都会导致未定义行为。

volatile int n = 1; // object of volatile-qualified type
int* p = (int*)&n;
int val = *p; // undefined behavior

volatile 限定结构或联合类型的成员会获得其所属类型的限定（无论是使用 . 运算符还是 -> 运算符访问）。

struct s { int i; const int ci; } s;
// the type of s.i is int, the type of s.ci is const int
volatile struct s vs;
// the types of vs.i and vs.ci are volatile int and const volatile int

如果数组类型通过使用 typedef 声明为 volatile 类型限定符，则数组类型不是 volatile 限定的，但其元素类型是。	(直至 C23)
数组类型及其元素类型始终被认为是具有相同 volatile 限定的。	(自 C23 起)

typedef int A[2][3];
volatile A a = {{4, 5, 6}, {7, 8, 9}}; // array of array of volatile int
int* pi = a[0]; // Error: a[0] has type volatile int*
void *unqual_ptr = a; // OK until C23; error since C23
// Notes: clang applies the rule in C++/C23 even in C89-C17 modes

如果函数类型通过使用 typedef 声明为 volatile 类型限定符，则行为是未定义的。

在函数声明中，关键字 volatile 可以出现在用于声明函数参数数组类型的方括号内。它限定了数组类型转换成的指针类型。 以下两个声明声明了相同的函数 void f(double x[volatile], const double y[volatile]); void f(double * volatile x, const double * volatile y);

(C99 起)

指向非 volatile 类型的指针可以隐式转换为指向相同或兼容类型的 volatile 限定版本的指针。反向转换需要强制转换表达式。

int* p = 0;
volatile int* vp = p; // OK: adds qualifiers (int to volatile int)
p = vp; // Error: discards qualifiers (volatile int to int)
p = (int*)vp; // OK: cast

注意，指向 T 的指针不能转换为指向 volatile T 的指针；对于两种类型要兼容，它们的限定必须相同。

char *p = 0;
volatile char **vpp = &p; // Error: char* and volatile char* are not compatible types
char * volatile *pvp = &p; // OK, adds qualifiers (char* to char*volatile)

volatile 的用途

1) static volatile 对象模拟内存映射 I/O 端口，而 static const volatile 对象模拟内存映射输入端口，例如实时时钟。

volatile short *ttyport = (volatile short*)TTYPORT_ADDR;
for(int i = 0; i < N; ++i)
    *ttyport = a[i]; // *ttyport is an lvalue of type volatile short

2) 类型为 sig_atomic_t 的 static volatile 对象用于与信号处理程序通信。

3) 包含 setjmp 宏调用的函数中的局部 volatile 变量是唯一保证在 longjmp 返回后保留其值的局部变量。

4) 此外，volatile 变量可用于禁用某些形式的优化，例如，禁用微基准测试中的死存储消除或常量折叠。

注意，volatile 变量不适合线程间通信；它们不提供原子性、同步或内存排序。在没有同步的情况下，从一个被另一个线程修改的 volatile 变量中读取，或者来自两个未同步线程的并发修改，由于数据竞争而导致未定义行为。

关键词

volatile

示例

演示了使用 volatile 禁用优化

运行此代码

#include <stdio.h>
#include <time.h>
 
int main(void)
{
    clock_t t = clock();
    double d = 0.0;
    for (int n = 0; n < 10000; ++n)
        for (int m = 0; m < 10000; ++m)
            d += d * n * m; // reads from and writes to a non-volatile 
    printf("Modified a non-volatile variable 100m times. "
           "Time used: %.2f seconds\n",
           (double)(clock() - t)/CLOCKS_PER_SEC);
 
    t = clock();
    volatile double vd = 0.0;
    for (int n = 0; n < 10000; ++n)
        for (int m = 0; m < 10000; ++m) {
            double prod = vd * n * m; // reads from a volatile
            vd += prod; // reads from and writes to a volatile
        } 
    printf("Modified a volatile variable 100m times. "
           "Time used: %.2f seconds\n",
           (double)(clock() - t)/CLOCKS_PER_SEC);
}

可能的输出

Modified a non-volatile variable 100m times. Time used: 0.00 seconds
Modified a volatile variable 100m times. Time used: 0.79 seconds

参考文献

• C17 标准 (ISO/IEC 9899:2018)

• 6.7.3 类型限定符 (p: 87-90)

• C11 标准 (ISO/IEC 9899:2011)

• 6.7.3 类型限定符 (p: 121-123)

• C99 标准 (ISO/IEC 9899:1999)

• 6.7.3 类型限定符 (p: 108-110)

• C89/C90 标准 (ISO/IEC 9899:1990)

• 6.5.3 类型限定符

另请参阅

C++ 文档，关于cv (const 和 volatile) 类型限定符