C99中的restrict和C89的volatilekeyword

Posted 2020-09-14 wgwyanfs

1、restrict

它仅仅能够用于限定指针。告知编译器该指针是訪问一个数据对象的唯一且初始的方式。即不存在其他进行改动操作的途径。

主要作用是能够让编译器进行一些优化，生成更高效的目标代码。

看个样例：

int foo(int *a,int *b)
{
	*a = 1;
	*b = 2;
	return *a;
}

int main()
{
	int *p, *q, ret;

	ret = foo(p, q);

	return 0;
}

我们用gcc -O2 -std=c99选项进行编译。foo()的反汇编例如以下图：

我们把foo()改为：

int foo(int *restrict a,int *restrict b)
{
	*a = 1;
	*b = 2;
	return *a;
}

依旧O2编译：

能够清楚地看到，编译器对返回值做了优化处理.

之所曾经一个样例。返回值要从内存中获取，是由于编译器不确定指针a是不是唯一的一个能够訪问到那片内存的指针。又可能还有其它指针訪问或改动了那片内存。因此，即使是O2优化，返回值还是从内存中得来的。编译器是要保证百分之百的正确。

后面一个样例。明白告知了编译器，a是唯一訪问到a所指向的内存的指针，所以编译器能够放心大胆地直接向寄存器写返回值。

然而，标准里还有这种话：

If the declaration of intent is not followed and the object is accessed by an independent pointer, this will result in undefined behavior

我们把main函数改成这样：

int foo(int *restrict a,int *restrict b)
{
	*a = 1;
	*b = 2;
	return *a;
}

int main()
{
	int *p, *q, ret;

	ret = foo(p, p);

	return 0;
}

这样，依照本意，ret的值应该为2才对，然而：

程序得到了错误的结果。

因此，正如李林老师在《Linux环境高级编程》里指出：restrict的限制（仅仅能通过该指针訪问），是由程序猿来保证的，编译器并不能全然保证。[1]

再如：

int foo(int *restrict a,int *b)
{
	*a = 1;
	*b = 2;
	return *a;
}

在我的机器上反汇编，发现O1未做处理。但O2时做了优化处理。

未做优化的原因。事实上是编译器对指针b的顾虑：万一b也指向的空间和a一样呢？

所以，优化需慎重

2、volatile

与restrict让编译器优化相反。volatile是阻止编译器优化。

简单地说，volatile告诉编译器该被变量除了可被程序改动外，还可能被其它代理、线程改动。

因此，当使用volatile 声明的变量的值的时候，系统总是又一次从它所在的内存读取数据，而不使用寄存器中的缓存的值。

继续看个样例：

static int flag;

void foo()
{
	flag = 0;
	while (flag < 2) 
		;
}

int main()
{
	foo();
	return 0;
}

依旧用-O2选项：

注意圈出来的那一行，这是一个死循环，也就是说，flag < 2 这个条件被编译器觉得是永真！所以还是这句话，优化需慎重。

而加上keyword之后：

static volatile int flag;

注意圈出来的那一行：flag的获取是从内存中来的。

这个样例是为了说明volatile能阻止编译器做常量合并、常量传播等优化。

其它的方面的作用能够參考 [2]

一般说来。volatile用在例如以下的几个地方：
1、中断服务程序中改动的供其他程序检測的变量须要加volatile；
2、多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile。
3、存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile说明，由于每次对它的读写都可能由不允许义；

然而矛盾的是：依据相关的标准（C,C++,POSIX,WIN32)和眼下绝大多数实现。对volatile变量的操作并非原子的，也不能用来为线程建立严格的happens-before关系。[3]

參考资料：

[1]：李林《linux程序设计实践》

[2]：具体解释volatile

[3]：volatile wiki