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Original:: Documentation/process/volatile-considered-harmful.rst

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               胡皓文 Hu Haowen <2023002089@link.tyut.edu.cn>

爲什麼不應該使用“volatile”類型¶

C程序員通常認爲volatile表示某個變量可以在當前執行的線程之外被改變；因此，在內核中用到共享數據結構時，常常會有C程序員喜歡使用volatile這類變量。換句話說，他們經常會把volatile類型看成某種簡易的原子變量，當然它們不是。在內核中使用volatile幾乎總是錯誤的；本文檔將解釋爲什麼這樣。

理解volatile的關鍵是知道它的目的是用來消除優化，實際上很少有人真正需要這樣的應用。在內核中，程序員必須防止意外的併發訪問破壞共享的數據結構，這其實是一個完全不同的任務。用來防止意外併發訪問的保護措施，可以更加高效的避免大多數優化相關的問題。

像volatile一樣，內核提供了很多原語來保證併發訪問時的數據安全（自旋鎖, 互斥量,內存屏障等等），同樣可以防止意外的優化。如果可以正確使用這些內核原語，那麼就沒有必要再使用volatile。如果仍然必須使用volatile，那麼幾乎可以肯定在代碼的某處有一個bug。在正確設計的內核代碼中，volatile能帶來的僅僅是使事情變慢。

思考一下這段典型的內核代碼:

spin_lock(&the_lock);
do_something_on(&shared_data);
do_something_else_with(&shared_data);
spin_unlock(&the_lock);

如果所有的代碼都遵循加鎖規則，當持有the_lock的時候，不可能意外的改變shared_data的值。任何可能訪問該數據的其他代碼都會在這個鎖上等待。自旋鎖原語跟內存屏障一樣—— 它們顯式的用來書寫成這樣 —— 意味着數據訪問不會跨越它們而被優化。所以本來編譯器認爲它知道在shared_data裏面將有什麼，但是因爲spin_lock()調用跟內存屏障一樣，會強制編譯器忘記它所知道的一切。那麼在訪問這些數據時不會有優化的問題。

如果shared_data被聲名爲volatile，鎖操作將仍然是必須的。就算我們知道沒有其他人正在使用它，編譯器也將被阻止優化對臨界區內shared_data的訪問。在鎖有效的同時， shared_data不是volatile的。在處理共享數據的時候，適當的鎖操作可以不再需要 volatile —— 並且是有潛在危害的。

volatile的存儲類型最初是爲那些內存映射的I/O寄存器而定義。在內核裏，寄存器訪問也應該被鎖保護，但是人們也不希望編譯器“優化”臨界區內的寄存器訪問。內核裏I/O的內存訪問是通過訪問函數完成的；不贊成通過指針對I/O內存的直接訪問，並且不是在所有體系架構上都能工作。那些訪問函數正是爲了防止意外優化而寫的，因此，再說一次，volatile類型不是必需的。

另一種引起用戶可能使用volatile的情況是當處理器正忙着等待一個變量的值。正確執行一個忙等待的方法是:

while (my_variable != what_i_want)
    cpu_relax();

cpu_relax()調用會降低CPU的能量消耗或者讓位於超線程雙處理器；它也作爲內存屏障一樣出現，所以，再一次，volatile不是必需的。當然，忙等待一開始就是一種反常規的做法。

在內核中，一些稀少的情況下volatile仍然是有意義的：

在一些體系架構的系統上，允許直接的I/0內存訪問，那麼前面提到的訪問函數可以使用 volatile。基本上，每一個訪問函數調用它自己都是一個小的臨界區域並且保證了按照程序員期望的那樣發生訪問操作。

某些會改變內存的內聯彙編代碼雖然沒有什麼其他明顯的附作用，但是有被GCC刪除的可能性。在彙編聲明中加上volatile關鍵字可以防止這種刪除操作。

Jiffies變量是一種特殊情況，雖然每次引用它的時候都可以有不同的值，但讀jiffies 變量時不需要任何特殊的加鎖保護。所以jiffies變量可以使用volatile，但是不贊成其他跟jiffies相同類型變量使用volatile。Jiffies被認爲是一種“愚蠢的遺留物” （Linus的話）因爲解決這個問題比保持現狀要麻煩的多。

由於某些I/0設備可能會修改連續一致的內存,所以有時,指向連續一致內存的數據結構的指針需要正確的使用volatile。網絡適配器使用的環狀緩存區正是這類情形的一個例子，其中適配器用改變指針來表示哪些描述符已經處理過了。

對於大多代碼，上述幾種可以使用volatile的情況都不適用。所以，使用volatile是一種 bug並且需要對這樣的代碼額外仔細檢查。那些試圖使用volatile的開發人員需要退一步想想他們真正想實現的是什麼。

非常歡迎刪除volatile變量的補丁－只要證明這些補丁完整的考慮了併發問題。

註釋¶

[1] https://lwn.net/Articles/233481/ [2] https://lwn.net/Articles/233482/

致謝¶

最初由Randy Dunlap推動並作初步研究由Jonathan Corbet撰寫參考Satyam Sharma，Johannes Stezenbach，Jesper Juhl，Heikki Orsila， H. Peter Anvin，Philipp Hahn和Stefan Richter的意見改善了本檔。