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C/C++语言中的volatile与restrict


1 类型限定词 volatile

1.1 概述

限定词 volatile 告诉编译器该变量除可被当前程序改变外还可被其他代理改变。它通常被用于硬件地址和与其它并行运行的程序共享的数据,以防编译器会做错误的代码优化。

使用例子:

volatile int locl; 
volatile int *ploc;

1.2 举例与分析

你可能会奇怪为什么ANSI觉得有必要把 volatile 作为一个关键字?原因是它可以方便编译器优化。

举例如下:

val1 = x;
/* 一些不使用x的代码 */
val2 = x;

在上面的代码中,一个聪明的编译器可能注意到你使用了两次 x 而没有改变它的值,那么,它有可能把 x 临时存储在一个寄存器中。然后,当 val2 需要 x 时,可以通过从寄存器而非初始的内存位置中读取该值以节省时间。

上面这个过程被称为缓存(caching)。通常,缓存是一个好的优化方式,但是如果在两个语句之间有其他代理(比如另一个被编译的进程)改变了 x 的话就不是这样了。如果没有规定 volatile 关键字,那么编译器将无从得知这种改变是否可能发生,这样悲欢存的内容很可能变成“脏”数据。

1.3 总结与注意

在ANSI中,如果声明中没有 volatile 关键字,那么编译器就可以假定一个值在使用过程中没有被修改,它就可以试着优化代码。否则(即声明中有 volatile 关键字),编译器变不会对代码进行优化。

一个值可以同时是 constvolatile 。例如,硬件时钟一般设定为不能由程序改变,这一点使它成为 const , 但它却可以被程序以外的代理改变,这使它成为 volatile 。那么我们可以这么声明:

volatile const int loc;
const volatile int *ploc;

2 类型限定词 restrict

2.1 概述

关键字 restrict 用来消除数据间的相关性,从而可让编译器安排语句的并行执行。它只可以用于指针,并表明该指针是访问一个数据对象的唯一且初始的方式。

2.2 举例与分析

例如:

int ar[10];
int * par = ar;
int * restrict restar = (int *)malloc (10 * sizeof (int));

注意,指针 restar 是访问由 malloc () 分配的内存的唯一且初始的方式,因此,它可以由关键字 restrict 限定。而指针 par 既不是初始的,也不是访问数组 ar 中数据的唯一方式(比如 ar 数组名本身就是另外一种访问方式),因此不可以把它限定为 restrict

考虑下面的语句:

for (n = 0; n < 10; n++)
{
   par[n] += 5;
   restar[n] += 5;
   ar[n] *= 2;
   par[n] += 3;
   restar[n] += 3;
}

因为前面通过 restrict 关键字知道了 restar 是放问它所指向数据块的唯一初始化方式,编译器就可以用具有同样效果的一条语句来代替包含 restar 的两个语句。

resatr [n] += 8;

然而,编译器将两个包含 par 的语句精简为一个如下的语句将导致计算错误:

par[n] +=8;

原因是 ar[n]*=2; 这条语句在 par[n]+=3 之前已经改变了 par 指针所指向数据的值,访问数组的不仅仅是 par 指针,所以仅从 par 对数组的操作优化反而会导致错误。

2.3 总结与注意

综上我们可知, restrict 的作用:帮助编译器确定使指针进行数值计算时,是否可以进行优化。

我们可以将关键字 restrict 作为指针型函数参量的限定词使用。这意味着编译器可以假定在函数体内没有其它标识符修改指针指向的数据,因而可以试着优化代码,反之则不然。

voie * memcpy (void * restrict s1, const void * restrict s2, size_t n);

这里,关键字 resrtict 有两个读者:

  • 一个是编译器,它告诉编译器可以自由地去做一些有关优化的假定。
  • 一个是用用户,它告诉用户仅使用满足 restrict 要求的参数(即,只能用该指针指向并访问相关数据其它指针不能访问相关数据)。

另外补充一下,注意,如下的代码:

 1 #include <stdio.h>
 2 void func(int * restrict a, int * restrict b)
 3 {
 4     *a += 1;
 5     *b += 2;
 6     return 0;
 7 }
 8 int main(int argc, char *argv[])
 9 {
10     int a = 0;
11     int b = 1;
12     func(&a,&a);
13     printf("%d,%d\n",a,b);
14     return 0;
15 }

理论上不应编译通过(因为两个 restrict 的函数参数指针同时指向了一个变量 a ),但是实际上实践发现竟然编译通过了?