C++的mutable和volatile

转载请注明文章出处：https://tlanyan.me/mutable-and-volatile-in-cpp

C++中修饰数据可变的关键字有三个：const、volatile和mutable。const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volatile和mutable恰好相反，指示数据总是可变的。mutable和volatile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;
    }
  }
}

在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);
}

a和b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