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Original:Why the “volatile” type class should not be used

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               胡皓文 Hu Haowen <src.res@email.cn>

爲什麼不應該使用「volatile」類型

C程式設計師通常認爲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程式設計師喜歡使用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,程式設計師必須防止意外的並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。用來防止意外並發訪問的保護措施,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並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 —— 意味著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裡面將有什麼,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。在內核里,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。內核里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著等待一個變量的值。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 程式設計師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並發問題。

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。