cv（const 与 volatile）类型限定符

可出现于任何类型说明符（包括声明文法的 声明说明符序列）中，以指定被声明对象或被命名类型的常量性（constness）或易变性（volatility）。

• const ——定义类型为常量 类型。
• volatile ——定义类型为易变 类型。

解释

除了函数类型或引用类型以外的任何类型 T（包括不完整类型），C++ 类型系统中有另外三个独立的类型：const-限定的 T、volatile-限定的 T 及 const-volatile-限定的 T。

当对象创建时，所用的 cv 限定符（可以是声明中的 声明说明符序列 或 声明符 的一部分，或者是 new 表达式中的 类型标识 的一部分）决定对象的常量性或易变性，如下所示：

• 常量对象——类型是 const-限定的 对象，或常量对象的非可变（mutable）子对象。这种对象不能被修改：直接尝试这么做是编译时错误，而间接尝试这么做（例如通过到非常量类型的引用或指针修改常量对象）的行为未定义。
• 易变对象——类型是 volatile-限定的 对象，或易变对象的子对象，或常量易变对象的可变子对象。每次访问（读或写、调用成员函数等）易变类型之泛左值表达式[1]，都当作优化方面可见的副作用（即在单个执行线程内，易变对象访问不能被优化掉，或者与另一先于或后于该易变对象访问的可见副作用进行重排序。这使得易变对象适用于与信号处理函数而非另一执行线程交流，参阅 std::memory_order）。试图通过非易变类型的泛左值访问易变对象（例如，通过到非易变类型的引用或指针）的行为未定义。
• 常量易变对象——类型是 const-volatile-限定的 对象，常量易变对象的非可变子对象，易变对象的常量子对象，或常量对象的非可变易变子对象。同时表现为常量对象与易变对象。

每个 cv 限定符（const 和 volatile）在任何 cv 限定符序列中都最多只能出现一次。例如 const const 和 volatile const volatile 都不是合法的 cv 限定符序列。

volatile关键字的作用

为什么需要volatile关键字？

在编写 C语言程序时，编译器通常会对变量进行优化，以尽可能地提高程序的性能。例如，编译器可能会把一个变量的值缓存到寄存器中，以避免频繁地读写内存。这样做虽然可以提高程序的执行效率，但是它有一个重要的前提，就是该变量的值在程序的执行过程中不会被外部因素改变。

然而，在一些特定的场景中，变量的值可能会在程序的执行过程中被外部因素改变，比如：

• 在多线程程序中，多个线程可能会同时访问同一个变量；
• 在嵌入式系统中，变量的值可能会被硬件中断改变；
• 在使用内存映射 I/O（Memory-Mapped I/O）的系统中，变量的值可能会被设备寄存器改变。 在这些情况下，如果编译器对变量进行优化，可能会导致程序出现不可预测的错误。因此，C语言引入了 volatile 关键字来告诉编译器，该变量是易变的，不应该进行优化。

volatile关键字的作用

volatile 关键字的作用是告诉编译器，该变量是易变的，不能进行优化。具体来说，volatile 关键字有以下几个作用：

1) 防止编译器优化

编译器会对变量进行优化，以提高程序的性能。例如，编译器可能会把一个变量的值缓存到寄存器中，以避免频繁地读写内存。然而，在一些特定的场景中，变量的值可能会在程序的执行过程中被外部因素改变。

如果编译器对变量进行优化，可能会导致程序出现不可预测的错误。因此，使用volatile关键字可以告诉编译器不要对该变量进行优化，每次都要从内存中读取该变量的值。

2) 强制编译器按照程序顺序访问变量

在一些特定的场景中，程序的正确性依赖于变量的读写顺序。例如，在多线程程序中，多个线程可能会同时访问同一个变量。如果编译器对变量进行了优化，可能会导致不同线程看到的变量值不一致，从而引发程序错误。

使用 volatile 关键字可以强制编译器按照程序顺序访问变量。具体来说，编译器会按照程序中变量的访问顺序来访问变量，而不是按照优化后的顺序来访问变量。

3) 提供内存屏障

在一些特定的场景中，程序需要对变量的读写顺序进行严格的控制。例如，在多线程程序中，变量的读写顺序可能会影响程序的正确性。

为了保证程序的正确性，需要在变量的读写操作之间插入内存屏障（Memory Barrier），以确保变量的读写顺序符合程序的要求。

使用 volatile 关键字可以提供内存屏障，以确保变量的读写顺序符合程序的要求。具体来说，使用 volatile 关键字可以在变量的读写操作之间插入内存屏障，以确保变量的读写顺序符合程序的要求。

volatile关键字的注意事项

在使用 volatile 关键字时，需要注意以下几点：

1) 不要滥用volatile关键字

虽然 volatile 关键字可以防止编译器优化，强制编译器按照程序顺序访问变量，提供内存屏障，但是不应该滥用 volatile 关键字。因为 volatile 关键字会影响程序的性能，使用过多的 volatile 关键字会导致程序变慢。

2) 不要依赖volatile关键字解决多线程问题

虽然 volatile 关键字可以防止编译器优化，强制编译器按照程序顺序访问变量，但是不应该依赖 volatile 关键字解决多线程问题。因为 volatile 关键字无法保证原子性，不能解决多线程竞争的问题。解决多线程竞争的问题需要使用其他的同步机制，比如互斥锁、读写锁、信号量等。

3) 注意多线程程序中的内存可见性问题

在多线程程序中，多个线程可能会同时访问同一个变量。为了保证程序的正确性，需要保证变量的内存可见性。具体来说，当一个线程修改了变量的值，其他线程应该能够立即看到变量的新值。

使用 volatile 关键字可以保证变量的内存可见性。具体来说，当一个线程修改了 volatile 变量的值，其他线程能够立即看到变量的新值。

但是需要注意的是，volatile 关键字只能保证单个变量的内存可见性，不能保证多个变量之间的内存可见性。如果多个变量之间存在依赖关系，需要使用其他的同步机制来保证变量之间的内存可见性。

4) 注意内存屏障的使用

在使用 volatile 关键字提供的内存屏障时，需要注意内存屏障的使用。具体来说，内存屏障应该放置在正确的位置，以确保变量的读写顺序符合程序的要求。如果内存屏障放置不当，可能会导致程序出现不可预测的错误。

5) 注意编译器的实现

不同编译器对 volatile 关键字的实现可能存在差异。因此，在使用 volatile 关键字时，需要注意编译器的实现。特别是在多平台开发中，不同平台上的编译器对 volatile 关键字的实现可能存在差异，需要谨慎处理。

volatile关键字的应用场景

volatile 关键字通常用于以下几个场景：

1) 访问硬件寄存器

在嵌入式系统中，常常需要访问硬件寄存器。由于硬件寄存器通常具有特殊的访问方式和访问顺序，因此需要使用 volatile 关键字来确保对硬件寄存器的访问符合要求。

2) 多线程程序中的共享变量

在多线程程序中，多个线程可能会同时访问同一个变量。为了保证程序的正确性，需要使用 volatile 关键字来保证变量的内存可见性。

3) 信号处理程序中的变量

在信号处理程序中，由于信号的不确定性，可能会导致程序出现不可预测的错误。为了避免这种错误，需要使用 volatile 关键字来确保对变量的访问符合要求。

4) 外部中断处理程序中的变量

在外部中断处理程序中，由于外部中断的不确定性，可能会导致程序出现不可预测的错误。为了避免这种错误，需要使用 volatile 关键字来确保对变量的访问符合要求。

5) 某些特殊的数据类型

在某些特殊的数据类型中，使用 volatile 关键字可以确保对变量的访问符合要求。比如，C++ 中的 std::atomic 类型，就使用了 volatile 关键字来确保对变量的访问符合要求。

mutable说明符

• mutable - 容许常量类类型对象修改相应类成员。

可以在非引用非常量类型的非静态数据成员的声明中出现：

class X
{
    mutable const int* p; // OK
    mutable int* const q; // 非良构
    mutable int&       r; // 非良构
};

mutable 用于指定不影响类的外部可观察状态的成员（通常用于互斥体、记忆缓存、惰性求值和访问指令等）。

class ThreadsafeCounter
{
    mutable std::mutex m; // “M&M 规则”：mutable 与 mutex 一起出现
    int data = 0;
public:
    int get() const
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(m);
        return data;
    }
 
    void inc()
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lk(m);
        ++data;
    }
};

转换

存在一种基于限制性的增长顺序的 cv 限定符的偏序。从而可以称类型具有更多或更少的 cv 限定：

• 无限定 < const
• 无限定 < volatile
• 无限定 < const volatile
• const < const volatile
• volatile < const volatile

到 cv 限定类型的引用和指针能被隐式转换到更多 cv 限定的类型的引用和指针。特别是允许下列转换：

• 到无限定类型的引用/指针能被转换成到 const 的引用/指针
• 到无限定类型的引用/指针能被转换成到 volatile 的引用/指针
• 到无限定类型的引用/指针能被转换成到 const volatile 的引用/指针
• 到 const 类型的引用/指针能被转换成到 const volatile 的引用/指针
• 到 volatile 类型的引用/指针能被转换成到 const volatile 的引用/指针

​ 注意：多级指针另有其他限制。

想要将到 cv 限定类型的引用或指针转换为到更少 cv 限定类型的引用或指针就必须使用 const_cast。

参考

• https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/cv
• C语言volatile关键字的作用