使用“指向易失变量的指针”是否始终防止编译器优化？

Question

这里的问题是：您的程序暂时使用了一些敏感数据，并希望在不再需要时将其擦除。仅对自身使用std :: fill()并不能总是起到作用 - 编译器可能会认为内存块以后不会被访问，因此擦除代码是浪费时间，从而消除擦除代码。 用户ybungalobill建议{{link3:使用volatile关键字：}}

{
  char buffer[size];
  //obtain and use password
  std::fill_n( (volatile char*)buffer, size, 0);
}

意图是，当看到volatile关键字时，编译器将不会尝试消除对std::fill_n()的调用。 volatile关键字是否总能防止编译器消除此类内存修改代码？

- sharptooth

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嗯，我认为这不是完全相同的情况。在这里编译器知道内存是分配在堆栈上的，在那里它不知道。（所以它可能指向映射寄存器的内存） - Yakov Galka

我正要发布一个类似的问题，关于这个答案。有趣的是一个问题可以引发很多其他有趣的问题;) 这是我的+1。 - ereOn

尝试将缓冲区声明为 volatile char buffer[size]; 而不是在调用 std::fill_n 时进行转换。 - Thomas Matthews

Answer 1

根据最新的C++0x草案[intro.execution]：

8 符合规范实现的最低要求包括：

— 访问volatile对象必须严格按照抽象机器规则进行评估。

[...]

12 访问由volatile值（3.10）指定的对象，修改对象，调用库I/O函数或调用执行任何这些操作的函数都是副作用[...]。

因此，即使您提供的代码也不能被优化。

- Yakov Galka

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至少，在 as-if 规则下，写入 volatile 对象的副作用不得被移除，这意味着代码执行应该如预期。编译器仍然可以在 fill_n 中执行其他优化，例如循环展开或汇编优化。 - Doug

Answer 2

编译器可以优化您的代码，因为buffer不是一个易失对象。标准仅要求编译器严格遵守易失对象的语义。以下是C++03的规定：

“符合实现的最小要求是：

在序列点上，易失对象是稳定的，这意味着先前的评估已经完成，后续的评估尚未发生。”

以及

“抽象机器的可观察行为是其对易失数据的读写序列和库I/O函数的调用。”

在您的示例中，您使用易失lvalue对非易失对象进行读写。 C++0x删除了我引用的第二段文本，因为它是多余的。 C++0x只是说：

“符合实现的最小要求是：

访问易失对象严格按照抽象机器的规则进行评估。”

总体而言，这些被称为程序的“可观察行为”。

虽然有人可能会认为“易失数据”可能意味着“由易失lvalue访问的数据”，但这仍然是一种很大的牵强解释，C++0x的措辞消除了有关您的代码的所有疑虑，并清楚地允许实现将其优化。

但是，正如人们向我指出的那样，在实践中这可能并不重要。优化这种东西的编译器很可能会违反程序员的意图（否则为什么要有指向易失性指针），因此很可能包含错误。尽管如此，我遇到过引用这些段落的编译器供应商，当他们面对过度积极的优化的错误报告时。最终，volatile是固有的平台特定的，您应该仔细检查结果。

- Johannes Schaub - litb

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为什么这些规则往往是在玩文字游戏？ - Pooria

Answer 3

一致的实现可以在适当时候推迟任何易失性读写的实际执行，直到易失性读取的结果会影响易失性写入或I/O操作的执行为止。

例如，假设有以下内容：

volatile unsigned char vol1,vol2;
extern unsigned char res[1000];
void test(int scale)
{
  unsigned char ch;

  for (int 0=0; i<10000; i++)
  {
    res[i] = i*vol1*scale;
    vol2 = res[i];
  }
}

一个符合规范的编译器可以选择性地检查 scale 是否是 128 的倍数，如果是，则在从 vol1 进行任何读取或向 vol2 进行任何写入之前清除所有偶数索引值的 res。虽然编译器需要在进行以下对 vol2 的写入之前对每个 vol1 进行读取，但编译器可能能够推迟这两个操作，直到运行了基本上不受限制的代码。

- supercat

Answer 4

您希望删除的内存内容可能已经从CPU / 核心的内部缓存刷新到 RAM 中，其他 CPU 可以继续查看它。在覆盖它之后，您需要使用互斥锁/内存屏障指令/原子操作或其他东西来触发与其他内核的同步。实际上，在调用任何外部函数之前，您的编译器可能会执行此操作（请参阅 Dave Butenhof 关于 volatile 在多线程中有限效用的帖子），因此，如果您的线程在此之后不久就这样做，那么这不是一个重大问题。简而言之：不需要使用 volatile。

- Tony Delroy