容易爆炸的volatile

前几天测试空循环速度时发生了一些匪夷所思的事情，经过调查，我锁定了凶手：关键字volatile

编译器：VS2013
语言：C/C++

关于这个关键字，简单来说就是通过保证内存的可见性来防止编译器的过度优化。
这么专业的一句话说出来，我却更加的迷惑了：什么是内存的可见性？为什么要防止编译器的过度优化？
说起来，这其实是同一个问题：编译器太“聪明”了

void test()
{
    int i = 0;
    i = 1;
    i = 2;
    i = 3;
    i = 4;
}

这样一个函数，有五句代码，但是编译器会“觉得”i = 4;所以前面的语句其实并没有转换成为机器码（仅release），这其实在一般的情形下并没有什么区别，还提高了效率。但是并不符合我们编写时的想法，所以加上volatile后编译器就老老实实生成多条指令了。

内存可见性：

线程内，当读取一个变量时，为提高存取速度，编译器优化时有时会先把变量读取到一个寄存器中；以后再取变量值时，就直接从寄存器中取值；
当变量值在本线程里改变时，会同时把变量的新值copy到该寄存器中，以便保持一致
当变量在因别的线程等而改变了值，该寄存器的值不会相应改变，从而造成应用程序读取的值和实际的变量值不一致
当该寄存器在因别的线程等而改变了值，原变量的值不会改变，从而造成应用程序读取的值和实际的变量值不一致

几个例子

也就是说，我们不加上这个关键字，可能会出现一些让我们费解的现象

空循环速度

void test_loop()
{
  clock_t c1 = clock();
  for (int i = 0; i < 1000000000; i++);
  clock_t c2 = clock();
  for (volatile int i = 0; i < 1000000000; i++);
  clock_t c3 = clock();
  cout << c2 - c1 << endl << c3 - c2<<endl;
}

在debug模式下，我们看一看输出：
图片说明
换成release再试一次：

很明显在release下第一个循环被优化掉了，速度快到飞起~

变量值被意外改变（其实是故意~）

void test_ebp()
{
  int i = 10;
  int a = i;
  printf("i=%d\n", a);
  __asm
  {
      mov dword ptr[ebp - 8], 10h//“偷偷改变i的值”
  }//VS2013下i的地址是ebp - 8，其他编译器可能不一致，如VC++6.0下应该是ebp - 4
  int b = i;
  printf("i=%d\n", b);
}

我们看看debug下的输出：
图片说明

再看看release：
图片说明

很明显读取i值是直接从寄存器里读取了，所以结果居然一致
给i加上volatile果然结果就都一致了：
图片说明

多线程下volatile带来的不可思议的结果
我们先看下面的函数：

int square(volatile int* &p)
{
  return  (*p)*(*p);
}

看起来是求一个变量平方的函数，但是偏偏是经过volatile修饰的，从而在编译器眼里这个函数是这样的：

int square(volatile int* &p)
{
  int a = *p;
  int b = *p;
  return a*b;
}

如果不在多线程环境里，无非是让编译器多忙了几句，但是一旦在多线程下，其他线程可能会在a,b取值之间改变了*p的值，从而得出错误的结果：

int A = 100;
volatile int *PA = &A;
int square(volatile int* &p)
{
  return  (*p)*(*p);
}
DWORD WINAPI test(LPVOID lpParamter)
{
  int ans = square2(PA);
  printf("%s  %d\n","pthread 1:",ans);
  for (int i = 0; i < 4200000000; i++)
  {
      if (i*i == ans)
      {
          cout << "right" << endl;
          return 0;
      }
  }
  cout << "wrong" << endl;
  return 0;
}
DWORD WINAPI test2(LPVOID lpParamter)
{
  int i = 0;
  while (1)
  {
      *PA = i++;
  }
  return 0;
}
void test_pthread()
{
  HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, test2, NULL, 0, NULL);
  HANDLE hThread = CreateThread(NULL, 0, test, NULL, 0, NULL);
  CloseHandle(hThread);
  CloseHandle(hThread2);
}

在test函数里会对函数的出来的结果进行检测，判断是不是一个数的平方（即使溢出也没事）
不过我要说的是：即便是在一个线程里不断改变*P的值，出错率还是挺低的~
图片说明