C++ 與“類”有關的注意事項總結（二）：volatile 和 mutable

一、volatile 用法

     可以將成員函式宣告為volatile， 如果一個類對象的值可能被修改的方式是編譯器無法控制或檢測的，例如：如果它是表示 I/O連接埠的資料結構，則把它聲明為 volatile 與 const 類對象類似，對於一個 volatile類對象，只有 volatile成員函數、建構函式和解構函式可以被調用：

class Screen {
public:
char poll() volatile;
 
// ...

};
char Screen::poll() volatile { ... }

 

一個定義為volatile的變數是說這變數可能會被意想不到地改變，這樣，編譯器就不會去假設這個變數的值了。精確地說就是，最佳化器在用到這個變數時必須每次都小心地重新讀取這個變數的值，而不是使用儲存在寄存器裡的備份。下面是volatile變數的幾個例子：

1) 平行裝置的硬體寄存器（如：狀態寄存器）
2) 一個中斷服務子程式中會訪問到的非自動變數(Non-automatic variables)
3) 多線程應用中被幾個任務共用的變數

回答不出這個問題的人是不會被僱傭的。我認為這是區分C程式員和嵌入式系統程式員的最基本的問題。搞嵌入式的傢伙們經常同硬體、中斷、RTOS等等打交道，所有這些都要求用到volatile變數。不懂得volatile的內容將會帶來災難。假設被面試者正確地回答了這是問題（嗯，懷疑是否會是這樣），我將稍微深究一下，看一下這傢伙是不是直正懂得volatile完全的重要性。

1)一個參數既可以是const還可以是volatile嗎？解釋為什麼。
2); 一個指標可以是volatile 嗎？解釋為什麼。
3); 下面的函數有什麼錯誤：

int square(volatile int *ptr)
{
return *ptr * *ptr;
}

下面是答案：
1)是的。一個例子是唯讀狀態寄存器。它是volatile因為它可能被意想不到地改變。它是const因為程式不應該試圖去修改它。
2); 是的。儘管這並不很常見。一個例子是當一個中斷服務子程式修該一個指向一個buffer的指標時。
3) 這段代碼有點變態。這段代碼的目的是用來返指標*ptr指向值的平方，但是，由於*ptr指向一個volatile型參數，編譯器將產生類似下面的代碼：

int square(volatile int *ptr)
{
int a,b;
a = *ptr;
b = *ptr;
return a * b;
}

由於*ptr的值可能被意想不到地該變，因此a和b可能是不同的。結果，這段代碼可能返不是你所期望的平方值！正確的代碼如下：

long square(volatile int *ptr)
{
int a;
a = *ptr;
return a * a;
}

 

volatile 相當於告訴編譯器, 由它聲明的東西的易變的, 不確定的, 可能由外部程式 (如中斷程式) 改變的, 禁止編譯器對其讀寫操作進行最佳化, 如果定義:
int i;
則編譯器可能會將其最佳化, 而放到 CPU 寄存器中, 這在多數情況下是好的, 然而在有些情況下, 我們會要求一些變數必須在記憶體中 (如驅動程式, 中斷處理常式等等), 這時編譯器這個最佳化就是引起問題, 為了避免這種情況, 應該這樣定義:
volatile int i;

PS: volatile 通常也用來阻止編譯器具最佳化操作, 如你有一個非精確延時函數:

 

void delay(unsigned int timeout)
{
unsigned int i;
for (i = 0; i < timeout; i++);
}

 

有些編譯會足夠聰明地注意到這個函數本質上是什麼也沒幹, 會將針對這個函數的調用最佳化掉, 但這樣是不對的, 所以你應該這麼聲明:

 

volatile void delay(...)
{
// 同上
}

 

二、mutable資料成員

     當我們把一個 Screen類對象聲明為 const 時出現了一些問題，我們期望的行為是 一旦 const Screen對象被初始化，它的內容就不能被修改，但是我們應該能夠監視到 Screen對象的內容。例如，給出下面的 Screen對象 cs ：

const Screen cs( 5, 5 );

     我們想監視在位置(3, 4)的內容，我們這樣做 ：

// 讀位置(3, 4)的內容
// 喔! 不能工作
cs.move( 3, 4 );
char ch = cs.get();

     但是，這不能工作，你知道為什麼嗎？move()不是 const 成員函數，而且不能很容易地變成const 成員函數，move()的定義如下：

 

inline void Screen::move( int r, int c )
{
if ( checkRange( r, c ) )
{
  int row = (r-1) * _width;
  _cursor = row + c - 1;  // 修改 _cursor
}
}

     我們注意到 move()修改了資料成員_cursor，因此若不加改動，它就不能被聲明為const，但是，對一個 Screen類的 const 對象不能修改_cursor 這看起來可能很奇怪，因為_curso只是一個索引，修改_cursor 不會修改 Screen本身的內容，我們只是想記住要被監視的 Screen位置，即使 Screen對象是 const 也應該允許修改_cursor，因為這麼做對於監視 Screen對象內容是必需的，而且又不會修改 Screen本身的內容 。

   為了允許修改一個類的資料成員，即使它是一個const 對象的資料成員，我們也可以把該資料成員聲明為mutable（易變的）， mutable 資料成員永遠不會是 const 成員，即使它是 一個const 對象的資料成員，mutable 成員總可以被更新，即使是在一個 const 成員函數中 。為把一個成員聲明為mutable 資料成員，我們必須把關鍵字 mutable 放在類成員表中的資料成員聲明之前：

 

class Screen {
public:
// 成員函數
private:
string _screen;
mutable string::size_type _cursor; // mutable 成員
short _height;
short _width;
};

     現在任何 const 成員函數都可以修改_cursor，我們可以把成員函數 move()聲明為 const ，即使 move()修改了資料成員_cursor，也不會有編譯錯誤產生：

// move() 是一個 const 成員函數
inline void Screen::move( int r, int c ) const
{
// ...
// ok: const 成員函數可以修改 mutable 成員
_cursor = row + c - 1;
// ...
}

     現在我們可以執行開始時給出的操作來監視 Screen對象 cs 而不會有錯誤發生。我們注意到只有_cursor 被聲明為 mutable 資料成員，而_screen _height 和_width都沒有，因為這些資料成員的值在const 的Screen類對象中是不應該被改變的。