volatile 类型限定符

 

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C 类型系统 中的每种单独类型都有几种限定的版本，分别对应于 const、volatile 和（对于指向对象类型的指针）restrict 限定符中的一个、两个或全部三个。此页面描述 volatile 限定符的效果。

通过 volatile 限定类型的左值表达式进行的每次访问（读取和写入）都被视为优化的可观察副作用，并严格按照抽象机的规则进行评估（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 访问不能被优化掉或相对于另一个可见的副作用重新排序，该副作用与 volatile 访问之间由序列点分隔。

将非 volatile 值强制转换为 volatile 类型无效。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，然后必须通过该指针进行访问。

任何尝试通过非 volatile 左值读取或写入类型为 volatile 限定的对象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 限定的结构体或联合体类型的成员会获得其所属类型的限定（无论使用 . 运算符还是 -> 运算符访问时）

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

如果数组类型使用 volatile 类型限定符声明（通过使用 typedef），则数组类型不是 volatile 限定的，但其元素类型是。	(直到 C23)
数组类型及其元素类型始终被认为具有相同的 volatile 限定。	(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

如果函数类型使用 volatile 类型限定声明（通过使用 typedef），则行为未定义。

在函数声明中，关键字 volatile 可以出现在用于声明函数参数的数组类型的方括号内。它限定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);

(自 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。反向转换需要强制类型转换表达式。

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

请注意，指向指向 T 的指针不能转换为指向指向 volatile T 的指针；要使两种类型兼容，它们的限定符必须相同

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 对象模拟内存映射的 I/O 端口，而 static const volatile 对象模拟内存映射的输入端口，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) sig_atomic_t 类型的 static volatile 对象用于与 signal 处理程序通信。

3) volatile 变量是在包含 setjmp 宏调用的函数本地的变量，是保证在 longjmp 返回后保留其值的唯一局部变量。

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

请注意，volatile 变量不适用于线程之间的通信；它们不提供原子性、同步或内存排序。从 volatile 变量的读取，如果该变量被另一个线程修改而没有同步，或者来自两个不同步线程的并发修改，则由于数据竞争而导致未定义行为。

关键字

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

• 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

参见

C++ 文档 关于 cv (const 和 volatile) 类型限定符