C++中volatile关键字及常见的误解总结

什么是volatile关键字

volatile 是一个类型修饰符，用于告诉编译器，该变量可能在程序执行阶段被不由程序本身产生的修改。

通俗点讲，当我们定义一个变量时，系统会在内存中为其分配一块内存区域，我们通过对这些内存的读写来操作这些变量。但是在复杂的多线程并发编程中，可能出现另外一个线程或者硬件设备修改了这块内存区域，从而导致了程序错误。所以这时我们需要告诉编译器，这个变量可能会被意外修改，编译器就不会把这个变量缓存到寄存器中，注意到每次访问都要从内存中读取，从而减小了出错的机会。

volatile的使用

又由于volatile本身只是告诉编译器，变量有可能产生变化，并不会强制刷新，所以在多线程并发编程中，volatile关键字是不够保险的。

使用方法:

volatile int num = 0;
volatile char ch = 'a';
volatile double pi = 3.14159;

volatile的常见误解

误解1：volatile变量是线程安全的

volatile关键字并不能保证线程安全。volatile并不能保证原子性（线程的基本操作单位，具有不可分割性）。如果涉及到需要确保原子性的操作，还必须依靠更强的多线程并发编程机制，如互斥锁、自旋锁、条件变量等。

例如：

volatile int num = 0;
for(int i = 0; i < 10000; ++i){
    ++num;
}

如果两个线程同时执行这段代码，num的值是不确定的，因为volatile并不能保证原子性。

误解2：volatile变量不写入cpu缓存，每次读/写都会从内存中读取/写入

这个误解有一部分是正确的。volatile变量不会缓存，但不代表每次都会从内存中读取/写入，CPU有自己多级缓存，volatile只能保证在缓存失效的时候从内存中取值，具体在什么时候失效并不是我们可以控制/预知的，所以在使用volatile变量的时候还是要小心谨慎，避免因为缓存失效而导致的问题。

例如：

volatile int num = 0;
for(int i = 0; i < 10000; ++i){
    num += i;
}

这段代码在多次循环后，由于计算次数增加，可能会被缓存，所以不会每次都从内存中取值。

示例说明

以下是一个示例程序，该程序利用volatile关键字保证了信号量变量在多线程应用中正确的使用。

#include <iostream>
#include <thread>

using namespace std;

volatile int sem = 1;

void producer() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        while (sem == 0) {
            // wait until sem == 1
        }
        sem = 0;
        cout << "Producer produces " << i << endl;
    }
}

void consumer() {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        while (sem == 1) {
            // wait until sem == 0
        }
        sem = 1;
        cout << "Consumer consumes " << i << endl;
    }
}

int main() {
    thread t1(producer);
    thread t2(consumer);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

在这个程序中，我们定义了一个信号量变量sem，并使用while循环来保证信号量的正确性。由于while循环的判断条件依赖于sem的值，在多线程编程中，如果没有使用volatile关键字，就可能会出现由于编译器优化而导致的信号量错误的情况。