​​Volatile
#опытным

Ключевое слово, которое не embedded С++ разработчик вряд ли когда-нибудь встречал в код. Сегодня мы поговорим, для чего оно используется.

Предположим, что у нас есть переменная keyboard_press, память под которую замаплена на память устройства ввода-вывода. Когда нажимается кнопка клавиатуры, изменяется переменная keyboard_press. Оставим сам маппинг за скобками и попробуем написать какую-то детсадовскую логику с переменной keyboard_press:

int keyboard_press = 0;
size_t count_test = 0;

void some_function() {
  while(keyboard_press == 0) {
    count_test++;
  }
  // doing stuff
}

Что в ассемблере?

some_function():
  mov eax, DWORD PTR keyboard_press[rip]
  test eax, eax
  jne .L1
.L3: // это кстати пустой бесконечный цикл, куда нельзя попасть и откуда нельзя выбраться
  jmp .L3
.L1:
  ret
count_test:
  .zero 8
keyboard_press:
  .zero 4

А где цикл? А где инкремент count_test?

На самом деле код собран с -О3 и компилятор просто выкинул цикл. Он не видит, что в данном коде где-то еще изменяется keyboard_press, поэтому разумно полагает, что мы написали бесконечный цикл без сайдэффектов, который вообще-то ub.

Но keyboard_press может изменяться, просто это никак не понятно по коду программы.

Теоретически компилятор мог бы увидеть, что мы замапили устройство ввода-вывода на эту переменную. А может и не увидеть. Если маппинг происходит в другой единице трансляции, то точно не увидит. Компилятор технически не может знать всего, что творится в коде. Он оптимизирует какой-то локальный участок кода на основе своих эвристик, которые просто не могут учитывать весь код программы.

Однако компилятор точно видит тип переменной. И на него мы можем повлиять. Вот чтобы отучить компилятор от таких фокусов, нужно пометить keyboard_press ключевым словом volatile.

volatile int keyboard_press = 0;
size_t count_test = 0;

// same

Теперь ассемблер выглядит так:

some_function():
  mov eax, DWORD PTR keyboard_press[rip]
  test eax, eax
  jne .L1
  mov rax, QWORD PTR count_test[rip]
  add rax, 1
.L3:
  mov edx, DWORD PTR keyboard_press[rip]
  mov rcx, rax
  add rax, 1
  test edx, edx
  je .L3
  mov QWORD PTR count_test[rip], rcx
.L1:
  ret

Все, что делает volatile - все операции над переменной становятся видимыми спецэффектами и не могут быть оптимизированы компилятором. Ну и еще операции над volitile переменными не могут переупорядочиваться с другими видимыми спецэффектами в порядке кода программы.

Говорится ли здесь что-нибудь о потоках? Нет! Здесь говорится только об оптимизациях компилятора.

Поэтому использовать volatile можно только для обработки сигналов(хэндлер которых вызывается в том же прерванном потоке), либо в тех местах, где вы работаете с переменной строго в одном потоке.

Доступ к volatile переменным не атомарный + с их помощью нельзя делать синхронизацию неатомарных переменных между потоками, так как volitile не подразумевает барьеров памяти.

Именно из-за этих ограничений volatile используется в очень узком спектре задач работы с I/O. Во всех остальных случаях в С++ используются атомики.

Don't be optimized out. Stay cool.

#cppcore #multitasking #memory