1、概念
volatile 是 C/C++ 语言中的一个类型修饰符，用于告知编译器：该变量的值可能会在程序控制流之外被意外修改（如硬件寄存器、多线程共享变量或信号处理函数等），因此编译器不应对其进行激进的优化（如缓存到寄存器或消除冗余读取）。
在程序运行时，编译器通常会假设变量的值仅由当前线程或函数内的代码修改，并据此进行优化（如循环内变量提升、指令重排等）。然而，在嵌入式开发、设备驱动编程或多线程环境中，某些变量的值可能被外部因素（如硬件中断、信号处理器、其他线程）异步修改。此时，若未使用 volatile 修饰，编译器可能生成错误的优化代码，导致程序行为异常。
简而言之，volatile 的作用是：
- 阻止编译器优化：强制每次访问变量时都从内存读取，而非使用寄存器中的缓存值；
- 确保内存可见性：防止编译器重排或省略对变量的访问，保证操作顺序符合预期；
- 适用于特殊场景：如硬件寄存器映射、信号处理、多线程共享变量（需配合其他同步机制）
volatile 并不解决所有并发问题（如原子性），但它是底层编程中确保正确内存访问的重要工具。
2、代码测试
下面是在 ARM 平台的 C 语言测试，因为 ARM 是弱内存模型，更容易复现问题。
/*
* volatile_test.c
*/
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
// 全局变量，使用或不使用volatile修饰
int flag = 0; // 尝试改为 volatile int flag = 0; 观察不同结果
void handler(int sig) {
flag = 1;
printf("Signal handler set flag to 1\n");
}
int main() {
signal(SIGALRM, handler);
alarm(1); // 1秒后发送SIGALRM信号
while(!flag) {
// 空循环等待flag变化
}
printf("Main loop detected flag change\n");
return 0;
}
2.1 测试结果
不使用 volatile 关键字，程序会卡死在 while 循环中：
liang@liang-virtual-machine:~/cfp$../arm-none-linux-gnueabi-gcc -O3 -g -o volatile_test volatile_test.c
liang@liang-virtual-machine:~/cfp$ ./volatile_test
Signal handler set flag to 1
使用 volatile，程序正常退出
liang@liang-virtual-machine:~/cfp$../arm-none-linux-gnueabi-gcc -O3 -g -o volatile_test volatile_test.c
liang@liang-virtual-machine:~/cfp$ ./volatile_test
Signal handler set flag to 1
Main loop detected flag change
liang@liang-virtual-machine:~/cfp$
2.2 反汇编
不使用 volatile：
liang@liang-virtual-machine:~/cfp$../arm-none-linux-gnueabi-objdump -S volatile_test
......
int main() {
83cc: e92d4010 push {r4, lr}
signal(SIGALRM, handler);
83d0: e59f1030 ldr r1, [pc, #48] ; 8408 <main+0x3c>
83d4: e3a0000e mov r0, #14 ; 0xe
83d8: ebffffc5 bl 82f4 <_init+0x38>
alarm(1); // 1秒后发送SIGALRM信号
83dc: e3a00001 mov r0, #1 ; 0x1
83e0: ebffffc9 bl 830c <_init+0x50>
83e4: e59f3020 ldr r3, [pc, #32] ; 840c <main+0x40>
83e8: e5932000 ldr r2, [r3] ; 从内存读取 flag 值到 r2
83ec: e3520000 cmp r2, #0 ; 0x0 ; 比较 r2 的值
83f0: 1a000000 bne 83f8 <main+0x2c> ; 如果 r2≠0，跳转到 83f8 位置
83f4: eafffffe b 83f4 <main+0x28> ; 无条件跳转到自身(无限循环)
while(!flag) {
// 空循环等待flag变化
}
printf("Main loop detected flag change\n");
83f8: e59f0010 ldr r0, [pc, #16] ; 8410 <main+0x44>
83fc: ebffffc5 bl 8318 <_init+0x5c>
return 0;
}
......
可以看到，编译器对 while 循环做了优化。编译器只在循环开始前读取一次 flag 的值到寄存器 r2。编译器认为 flag 在循环内不会被修改，之后循环中不再重新从内存读取 flag。同时，直接做了一个无条件跳转到自身的优化：
83f4: eafffffe b 83f4 <main+0x28> ; 无条件跳转到自身(无限循环)
而对比使用 volatile 关键字，可以看到编译器没有对 while 循环做优化，每次循环都重新读取 flag 的值：
liang@liang-virtual-machine:~/cfp$../arm-none-linux-gnueabi-objdump -S volatile_test
......
int main() {
83cc: e92d4010 push {r4, lr}
signal(SIGALRM, handler);
83d0: e59f102c ldr r1, [pc, #44] ; 8404 <main+0x38>
83d4: e3a0000e mov r0, #14 ; 0xe
83d8: ebffffc5 bl 82f4 <_init+0x38>
alarm(1); // 1秒后发送SIGALRM信号
83dc: e3a00001 mov r0, #1 ; 0x1
83e0: ebffffc9 bl 830c <_init+0x50>
83e4: e59f201c ldr r2, [pc, #28] ; 8408 <main+0x3c>
while(!flag) {
83e8: e5923000 ldr r3, [r2] ; 每次循环都重新读取flag
83ec: e3530000 cmp r3, #0 ; 0x0 ; 如果≠0跳转到退出
83f0: 0afffffc beq 83e8 <main+0x1c> ; 继续循环
// 空循环等待flag变化
}
printf("Main loop detected flag change\n");
83f4: e59f0010 ldr r0, [pc, #16] ; 840c <main+0x40>
83f8: ebffffc6 bl 8318 <_init+0x5c>
return 0;
}
......