Windows+VisualC 上的 volatile 读写是原子的吗？

Question

本网站上有几个问题询问是否可以使用volatile 变量进行原子/多线程访问：例如，请参阅here、here、or here。

现在，符合 C(++) 标准的答案显然是否。

但是，在 Windows 和 Visual C++ 编译器上，情况似乎不太清楚。

我最近answered 并在volatile 上引用了official MSDN docs

微软特定

声明为 volatile 的对象是 (...)

• 对 volatile 对象的写入（volatile write）具有 Release 语义； 对 全局或静态对象^? 的引用发生在写入之前 指令序列中的易失性对象将在此之前发生 volatile 写入编译后的二进制文件。
• 对易失性对象的读取（易失性读取）具有 Acquire 语义；一个参考 全局或静态对象^?在读取易失性内存后发生 操作说明 序列将在编译后的二进制文件中进行易失性读取之后发生。

这允许 volatile 对象用于多线程应用程序中的内存锁定和释放。

_{[强调我的]}

现在，阅读本文，在我看来，一个 volatile 变量将被 MS 编译器视为 std::atomic 将在即将到来的 C++11 标准中。

但是，在comment to my answer 中，用户Hans Passant 写道“那篇MSDN 文章很不幸，它是大错特错。你不能用volatile 实现锁，即使是微软的版本。（。 ..)"

---

请注意：MSDN 中给出的示例 看起来很可疑，因为您通常无法在没有原子exchange 的情况下实现锁。 （同样pointed out by Alex。）这仍然留下了问题。这篇 MSDN 文章中给出的其他信息的有效性，尤其是像 here 和 here 这样的用例。）

---

此外，还有 The Interlocked* 函数的文档，尤其是 InterlockedExchange 使用 volatile(!?) 变量并执行原子读+写。 （请注意，我们对 SO 提出的一个问题——When should InterlockedExchange be used?——并没有权威地回答只读或只写原子访问是否需要此函数。）

更重要的是，上面引用的volatile 文档以某种方式暗示了“全局或静态对象”，我认为“真实”acquire/release semantics 应该适用于所有值。

回到问题

在 Windows 上，使用 Visual C++ (2005 - 2010)，将（32 位？int？）变量声明为 volatile 允许对该变量进行原子读取和写入 - 或不允许？

对我来说特别重要的是，这应该（或不）在 Windows/VC++ 上保持（或不）独立程序运行的处理器或平台。 （也就是说，在 Itanum2 上运行的是 WinXP/32bit 还是 Windows 2008R2/64bit？）

请用可验证的信息、链接、测试用例备份您的答案！

Answer 1

是的，它们在 windows/vc++ 上是原子的（假设您满足对齐要求等或课程）

但是，对于锁，您需要进行原子测试和设置，或者比较和交换指令或类似指令，而不仅仅是原子更新或读取。

否则没有办法测试锁并在一个不可分割的操作中声明它。

编辑：如下所述，32 位或以下的 x86 上的所有对齐内存访问无论如何都是原子的。关键是 volatile 使内存访问有序。 （感谢您在 cmets 中指出这一点）

Answer 2

从 Visual C++ 2005 开始，可变变量是原子的。但这仅适用于此类特定的编译器和 x86/AMD64 平台。例如，PowerPC 可能会重新排序内存读/写，并且需要读/写屏障。我不熟悉 gcc 类编译器的语义，但无论如何使用 volatile 进行原子操作都不是很便携。

参考，见第一句话“微软特定”：http://msdn.microsoft.com/en-us/library/12a04hfd%28VS.80%29.aspx

Answer 3

有点跑题了，不过还是先试试吧。

... 有 Interlocked* 函数的文档，尤其是 InterlockedExchange，它采用 volatile(!) 变量...

如果你考虑一下：

void foo(int volatile*);

它说：

• 参数必须是指向 volatile int 的指针，或者
• 参数也可以是指向 volatile int 的指针？

后者是正确的答案，因为函数可以同时传递指向 volatile 和 non-volatile int 的指针。

因此，InterlockedExchangeX() 具有其参数 volatile-qualified 的事实并不意味着它必须仅对 volatile 整数进行操作。

Answer 4

关键可能是允许类似的东西

singleton& get_instance()
{
    static volatile singleton* instance;
    static mutex instance_mutex;

    if (!instance)
    {
        raii_lock lock(instance_mutex);

        if (!instance) instance = new singleton;
    }

    return *instance;
}

如果在初始化完成之前写入instance，则会中断。使用 MSVC 语义，您可以保证在看到 instance != 0 时，对象已经完成初始化（如果没有适当的屏障语义，即使使用传统的 volatile 语义也不会出现这种情况）。

这种双重检查锁（反）模式实际上很常见，如果你不提供屏障语义，就会被破坏。但是，如果保证对volatile 变量的访问是获取+释放障碍，那么它可以工作。

不要依赖volatile 的这种自定义语义。我怀疑这是为了不破坏现有代码库而引入的。无论如何，不​​要按照 MSDN 的例子写锁。它可能不起作用（我怀疑你是否可以只使用屏障来编写锁：你需要原子操作——CAS、TAS 等——为此）。

编写双重检查锁模式的唯一可移植方式是使用 C++0x，它提供了合适的内存模型和显式屏障。

Answer 5

在 x86 下，这些操作保证是原子的，不需要基于 LOCK 的指令，例如 Interlocked*（请参阅英特尔的开发人员手册 3A 第 8.1 节）：

基本的内存操作将始终以原子方式执行：

• 读或写一个字节

• 读取或写入在 16位边界

• 读取或写入在 32 位边界上对齐的双字

奔腾处理器（以及之后的更新处理器）保证 将始终进行以下额外的内存操作 原子输出：

• 读取或写入在 64 位上对齐的四字 边界

• 对适合的未缓存内存位置进行 16 位访问 在 32 位数据总线内

P6 系列处理器（以及更新的 处理器自）保证以下附加内存 操作将始终以原子方式执行：

• 未对齐的 16-、32-、 以及对适合缓存行的缓存内存进行 64 位访问

这意味着volatile 将仅用于防止编译器缓存和指令重新排序（MSVC 不会为 volatile 变量发出原子操作，它们需要显式使用）。