C++中volatile和mutable关键字用法详解

2023-08-02 13:04:05 66

C/C++中的volatile关键字和const对应，用来修饰变量，用于告诉编译器该变量值是不稳定的，可能被更改。使用volatile注意事项：

(1).编译器会对带有volatile关键字的变量禁用优化(Avolatilespecifierisahinttoacompilerthatanobjectmaychangeitsvalueinwaysnotspecifiedbythelanguagesothataggressiveoptimizationsmustbeavoided)。

(2).当多个线程都要用到某一个变量且该变量的值会被改变时应该用volatile声明，该关键字的作用是防止编译器优化把变量从内存装入CPU寄存器中。如果变量被装入寄存器，那么多个线程有可能有的使用内存中的变量，有的使用寄存器中的变量，这会造成程序的错误执行。volatile的意思是让编译器每次操作该变量时一定要从内存中取出，而不是使用已经存在寄存器中的值(Itcannotcachethevariablesinregister)。

(3).中断服务程序中访问到的变量最好带上volatile。

(4).并行设备的硬件寄存器的变量最好带上volatile。

(5).声明的变量可以同时带有const和volatile关键字。

(6).多个volatile变量间的操作，是不会被编译器交换顺序的，能够保证volatile变量间的顺序性，编译器不会进行乱序优化(Thevaluecannotchangeinorderofassignment)。但volatile变量和非volatile变量之间的顺序，编译器不保证顺序，可能会进行乱序优化。

C++中的mutable关键字使用场景：

(1).允许即使包含它的对象被声明为const时仍可修改声明为mutable的类成员(sometimesthereisrequirementtomodifyoneormoredatamembersofclass/structthroughconstfunctioneventhoughyoudon'twantthefunctiontoupdateothermembersofclass/struct.Thistaskcanbeeasilyperformedbyusingmutablekeyword)。

(2).应用在C++11lambda表达式来表示按值捕获的值是可修改的，默认情况下是不可修改的，但修改仅在lambda式内有效(sincec++11mutablecanbeusedonalambdatodenotethatthingscapturedbyvaluearemodifiable(theyaren'tbydefault))。

详细用法见下面的测试代码，下面是从其他文章中copy的测试代码，详细内容介绍可以参考对应的reference：

#include"volatile_mutable.hpp"
#include
#include
#include
#include
#include

namespacevolatile_mutable_{

///////////////////////////////////////////////////////////
inttest_volatile_1()
{
volatileinti1=0;//correct
intvolatilei2=0;//correct

return0;
}

///////////////////////////////////////////////////////////
//reference:https://en.cppreference.com/w/c/language/volatile
inttest_volatile_2()
{
{//Anyattempttoreadorwritetoanobjectwhosetypeisvolatile-qualifiedthroughanon-volatilelvalueresultsinundefinedbehavior
volatileintn=1;//objectofvolatile-qualifiedtype
int*p=(int*)&n;
intval=*p;//undefinedbehaviorinC,Note:linkdoesnotreportanerrorunderC++
fprintf(stdout,"val:%d\n",val);
}

{//Amemberofavolatile-qualifiedstructureoruniontypeacquiresthequalificationofthetypeitbelongsto
typedefstructss{inti;constintci;}s;
//thetypeofs.iisint,thetypeofs.ciisconstint
volatilesvs={1,2};
//thetypesofvs.iandvs.ciarevolatileintandconstvolatileint
}

{//Ifanarraytypeisdeclaredwiththevolatiletypequalifier(throughtheuseoftypedef),thearraytypeisnotvolatile-qualified,butitselementtypeis
typedefintA[2][3];
volatileAa={{4,5,6},{7,8,9}};//arrayofarrayofvolatileint
//int*pi=a[0];//Error:a[0]hastypevolatileint*
volatileint*pi=a[0];
}

{//Apointertoanon-volatiletypecanbeimplicitlyconvertedtoapointertothevolatile-qualifiedversionofthesameorcompatibletype.Thereverseconversioncanbeperformedwithacastexpression
int*p=nullptr;
volatileint*vp=p;//OK:addsqualifiers(inttovolatileint)
//p=vp;//Error:discardsqualifiers(volatileinttoint)
p=(int*)vp;//OK:cast
}

{//volatiledisableoptimizations
clock_tt=clock();
doubled=0.0;
for(intn=0;n<10000;++n)
for(intm=0;m<10000;++m)
d+=d*n*m;//readsandwritestoanon-volatile
fprintf(stdout,"Modifiedanon-volatilevariable100mtimes.Timeused:%.2fseconds\n",(double)(clock()-t)/CLOCKS_PER_SEC);

t=clock();
volatiledoublevd=0.0;
for(intn=0;n<10000;++n)
for(intm=0;m<10000;++m)
vd+=vd*n*m;//readsandwritestoavolatile
fprintf(stdout,"Modifiedavolatilevariable100mtimes.Timeused:%.2fseconds\n",(double)(clock()-t)/CLOCKS_PER_SEC);
}

return0;
}

///////////////////////////////////////////////////////////
//reference:https://en.cppreference.com/w/cpp/language/cv
inttest_volatile_3()
{
intn1=0;//non-constobject
constintn2=0;//constobject
intconstn3=0;//constobject(sameasn2)
volatileintn4=0;//volatileobject
conststruct{
intn1;
mutableintn2;
}x={0,0};//constobjectwithmutablemember

n1=1;//ok,modifiableobject
//n2=2;//error:non-modifiableobject
n4=3;//ok,treatedasaside-effect
//x.n1=4;//error:memberofaconstobjectisconst
x.n2=4;//ok,mutablememberofaconstobjectisn'tconst

constint&r1=n1;//referencetoconstboundtonon-constobject
//r1=2;//error:attempttomodifythroughreferencetoconst
const_cast(r1)=2;//ok,modifiesnon-constobjectn1
fprintf(stdout,"n1:%d\n",n1);//2

constint&r2=n2;//referencetoconstboundtoconstobject
//r2=2;//error:attempttomodifythroughreferencetoconst
const_cast(r2)=2;//undefinedbehavior:attempttomodifyconstobjectn2,Note:linkdoesnotreportanerrorunderC++
fprintf(stdout,"n2:%d\n",n2);//0

return0;
}

///////////////////////////////////////////////////////////
//reference:https://www.geeksforgeeks.org/understanding-volatile-qualifier-in-c/
inttest_volatile_4()
{
{
constintlocal=10;
int*ptr=(int*)&local;
fprintf(stdout,"Initialvalueoflocal:%d\n",local);//10

*ptr=100;
fprintf(stdout,"Modifiedvalueoflocal:%d\n",local);//10
}

{
constvolatileintlocal=10;
int*ptr=(int*)&local;
fprintf(stdout,"Initialvalueoflocal:%d\n",local);//10

*ptr=100;
fprintf(stdout,"Modifiedvalueoflocal:%d\n",local);//100
}

return0;
}

///////////////////////////////////////////////////////////
//reference:https://en.cppreference.com/w/cpp/language/cv
inttest_mutable_1()
{
//Mutableisusedtospecifythatthememberdoesnotaffecttheexternallyvisiblestateoftheclass(asoftenusedformutexes,
//memocaches,lazyevaluation,andaccessinstrumentation)
classThreadsafeCounter{
public:
intget()const{
std::lock_guardlk(m);
returndata;
}
voidinc(){
std::lock_guardlk(m);
++data;
}

private:
mutablestd::mutexm;//The"M&Mrule":mutableandmutexgotogether
intdata=0;
};

return0;
}

///////////////////////////////////////////////////////////
//reference:https://www.tutorialspoint.com/cplusplus-mutable-keyword
inttest_mutable_2()
{
classTest{
public:
Test(intx=0,inty=0):a(x),b(y){}

voidseta(intx=0){a=x;}
voidsetb(inty=0){b=y;}
voiddisp(){fprintf(stdout,"a:%d,b:%d\n",a,b);}

public:
inta;
mutableintb;
};

constTestt(10,20);
fprintf(stdout,"t.a:%d,t.b:%d\n",t.a,t.b);//10,20

//t.a=30;//Erroroccursbecauseacannotbechanged,becauseobjectisconstant.
t.b=100;//bstillcanbechanged,becausebismutable.
fprintf(stdout,"t.a:%d,t.b:%d\n",t.a,t.b);//10,100

return0;
}

///////////////////////////////////////////////////////////
//reference:https://www.geeksforgeeks.org/c-mutable-keyword/
inttest_mutable_3()
{
usingstd::cout;
usingstd::endl;

classCustomer{
public:
Customer(char*s,char*m,inta,intp)
{
strcpy(name,s);
strcpy(placedorder,m);
tableno=a;
bill=p;
}

voidchangePlacedOrder(char*p)const{strcpy(placedorder,p);}
voidchangeBill(ints)const{bill=s;}

voiddisplay()const
{
cout<<"Customernameis:"<
GitHub：https://github.com/fengbingchun/Messy_Test
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