通過反彙編分析C語言中volatile關鍵字的含義

根據C語言標準，volatile關鍵字的作用是禁止編譯器對相關變量的存取進行優化。本文利用VC 2010和GCC 4.4.7，分析volatile關鍵字對生成的彙編代碼的影響，以驗證volatile的具體含義。

VC 2010

以下是基礎C代碼

int gMark = 1;

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])  
{  
	while(gMark){
	}
	return 0;
}  

以下是VC 2010 Releae編譯後的彙編代碼，可以看到循環直接被被優化掉了。

00A51000  jmp         wmain (0A51000h) 

如果把gMark聲明爲volatile int，再次VC 2010 Releae編譯，生成的彙編代碼如下，可以看到每次循環都要重新讀取一次gMark所在的內存。

01071000 mov         eax,dword ptr [gMark(1073018h)]

01071005 test        eax,eax 

01071007  jne         wmain (1071000h)

GCC 4.4.7

以下是基礎C代碼

int gMark = 1;
int main()
{
  while(gMark){
  }
  return 0;
}

以下是g++ -O3編譯後的反彙編代碼，可以看到循環直接被被優化掉了，與VC完全一樣。

Dump of assembler code forfunction main:

   0x0000000000400680 <+0>:  jmp   0x400680 <main>

Endof assembler dump.

如果把gMark聲明爲volatile int，g++ -O3編譯後的彙編代碼如下。可以看到每次循環都要重新讀取一次gMark所在的內存，這點與VC完全一致。

Dumpof assembler code for function main:

   0x0000000000400680 <+0>:  movl  $0x1,-0x4(%rsp)

   0x0000000000400688 <+8>:  nopl  0x0(%rax,%rax,1)

   0x0000000000400690 <+16>: mov   -0x4(%rsp),%eax

   0x0000000000400694 <+20>: test  %eax,%eax

   0x0000000000400696 <+22>: jne   0x400690 <main+16>

   0x0000000000400698 <+24>: repz retq

Endof assembler dump.

結論

如果不加volatile關鍵字，編譯器對C代碼中的多次讀取該變量的操作，有可能只生成一次加載內存到寄存器的指令。如果加上volatile，則每次C源碼中用到該變量，都需要從內存中重新加載。

其它

以上基本說明了volatile的含義。另外，如果C代碼的函數中有多處對volatile變量的讀寫，編譯器還必須在生成的彙編代碼中保留這些volatile變量的讀寫順序，見wiki（http://en.wikipedia.org/wiki/Memory_barrier）。

還有一個經常混淆的問題是，volatile是否還定義了原子語義？用volatile修飾變量，能不能保證對一個變量的讀寫操作不會被其他線程打斷？我們說根據C標準，volatile是沒有原子語義的。另外，剛纔生成的彙編代碼也說明了volatile變量的讀寫是沒有原子性的。

最後是volatile和memory barrier到底是什麼關係。我的理解是，volatile是對編譯器優化進行干預，memory barrier是對CPU的亂序執行進行干預，因此兩者沒有關係。但是有些編譯器對volatile變量賦予了acquire和release語義，從而使得volatile能有一定的memory barrier的作用。詳細見http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms686355。因爲這和編譯器以及編譯器的版本是密切相關的，對於開發應用程序的程序員，就當它不存在好了。