C++中的mutable和volatile

By | 2018年11月13日

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C++中修饰数据可变的关键字有三个:constvolatilemutableconst比较好理解,表示其修饰的内容不可改变(至少编译期不可改变),而volatilemutable恰好相反,指示数据总是可变的。mutablevolatile均可以和const搭配使用,但两者在使用上有比较大差别。

mutable

mutable只能作用在类成员上,指示其数据总是可变的。不能和const 同时修饰一个成员,但能配合使用const修饰的方法中,mutable修饰的成员数据可以发生改变,除此之外不应该对类/对象带来副作用。

考虑一个mutable的使用场景:呼叫系统中存有司机(Driver)的信息,为了保护司机的隐私,司机对外展现的联系号码每隔五分钟从空闲号码池更新一次。根据需求,Driver类的实现如下伪代码:

class Driver {
private:
  ...
  // real phone number
  string phone;
  // display phone number
  mutable string displayPhone;

public:
  string getDisplayPhone() const {
    if (needUpdate()) {
      lock.lock();
      if (needUpdate()) {
        updateDisplayPhone(); // displayPhone在这里被改变
      }
      lock.unlock();
    }
    return displayPhone;
  }
};

在上述代码中,const方法中不允许对常规成员进行变动,但mutable成员不受此限制。对Driver类来说,其固有属性(姓名、年龄、真实手机号等)未发生改变,符合const修饰。mutable让一些随时可变的展示属性能发生改变,达到了灵活编程的目的。

volatile

volatile用于修饰成员或变量,指示其修饰对象可能随时变化,编译器不要对所修饰变量进行优化(缓存),每次取值应该直接读取内存。由于volatile的变化来自运行期,其可以与const一起使用。两者一起使用可能让人费解,如果考虑场景就容易许多:CPU和GPU通过映射公用内存中的同一块,GPU可能随时往共享内存中写数据。对CPU上的程序来说,const修饰变量一直是右值,所以编译通过。但其变量内存中的值在运行期间可能随时在改变,volatile修饰是正确做法。

在多线程环境下,volatile可用作内存同步手段。例如多线程爆破密码:

volatile bool found = false;

void run(string target) {
  while (!found) {
    // 计算字典口令的哈希
    if (target == hash) {
      found = true;
      break;
    }
  }
}

volatile的修饰下,每次循环都会检查内存中的值,达到同步的效果。

需要注意的是,volatile的值可能随时会变,期间会导致非预期的结果。例如下面的例子求平方和:

double square(volatile double a, volatile double b) {
  return (a + b) * (a + b);
}

ab都是随时可变的,所以上述代码中的第一个a + b可能和第二个不同,导致出现非预期的结果。这种情况下,正确做法是将值赋予常规变量,然后再相乘:

double square(volatile double a, volatile double b) {
  double c = a + b;
  return c * c;
}

总结

  1. mutable只能用与类变量,不能与const同时使用;在const修饰的方法中,mutable变量数值可以发生改变;
  2. volatile只是运行期变量的值随时可能改变,这种改变即可能来自其他线程,也可能来自外部系统。

参考

  1. https://en.cppreference.com/w/cpp/language/cv

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