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<volatile_considered_harmful>`
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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
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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
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。
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
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
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——
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volatileJiffies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
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[1] https://lwn.net/Articles/233481/
[2] https://lwn.net/Articles/233482/
致謝
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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。