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The Gmail address will not be used often from now on, and replace it with the email which is more frequently accessed by myself. Signed-off-by: Hu Haowen <2023002089@link.tyut.edu.cn> Signed-off-by: Jonathan Corbet <corbet@lwn.net> Message-ID: <20231106140140.25455-1-2023002089@link.tyut.edu.cn>
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.. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
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.. _tw_volatile_considered_harmful:
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.. include:: ../disclaimer-zh_TW.rst
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:Original: :ref:`Documentation/process/volatile-considered-harmful.rst
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<volatile_considered_harmful>`
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如果想評論或更新本文的內容，請直接聯繫原文檔的維護者。如果你使用英文
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交流有困難的話，也可以向中文版維護者求助。如果本翻譯更新不及時或者翻
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譯存在問題，請聯繫中文版維護者::
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英文版維護者： Jonathan Corbet <corbet@lwn.net>
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中文版維護者： 伍鵬 Bryan Wu <bryan.wu@analog.com>
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中文版翻譯者： 伍鵬 Bryan Wu <bryan.wu@analog.com>
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中文版校譯者： 張漢輝 Eugene Teo <eugeneteo@kernel.sg>
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楊瑞 Dave Young <hidave.darkstar@gmail.com>
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時奎亮 Alex Shi <alex.shi@linux.alibaba.com>
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胡皓文 Hu Haowen <2023002089@link.tyut.edu.cn>
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爲什麼不應該使用“volatile”類型
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C程序員通常認爲volatile表示某個變量可以在當前執行的線程之外被改變；因此，在內核
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中用到共享數據結構時，常常會有C程序員喜歡使用volatile這類變量。換句話說，他們經
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常會把volatile類型看成某種簡易的原子變量，當然它們不是。在內核中使用volatile幾
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乎總是錯誤的；本文檔將解釋爲什麼這樣。
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理解volatile的關鍵是知道它的目的是用來消除優化，實際上很少有人真正需要這樣的應
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用。在內核中，程序員必須防止意外的併發訪問破壞共享的數據結構，這其實是一個完全
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不同的任務。用來防止意外併發訪問的保護措施，可以更加高效的避免大多數優化相關的
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問題。
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像volatile一樣，內核提供了很多原語來保證併發訪問時的數據安全（自旋鎖, 互斥量,內
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存屏障等等），同樣可以防止意外的優化。如果可以正確使用這些內核原語，那麼就沒有
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必要再使用volatile。如果仍然必須使用volatile，那麼幾乎可以肯定在代碼的某處有一
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個bug。在正確設計的內核代碼中，volatile能帶來的僅僅是使事情變慢。
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思考一下這段典型的內核代碼::
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spin_lock(&the_lock);
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do_something_on(&shared_data);
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do_something_else_with(&shared_data);
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spin_unlock(&the_lock);
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如果所有的代碼都遵循加鎖規則，當持有the_lock的時候，不可能意外的改變shared_data的
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值。任何可能訪問該數據的其他代碼都會在這個鎖上等待。自旋鎖原語跟內存屏障一樣—— 它
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們顯式的用來書寫成這樣 —— 意味着數據訪問不會跨越它們而被優化。所以本來編譯器認爲
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它知道在shared_data裏面將有什麼，但是因爲spin_lock()調用跟內存屏障一樣，會強制編
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譯器忘記它所知道的一切。那麼在訪問這些數據時不會有優化的問題。
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如果shared_data被聲名爲volatile，鎖操作將仍然是必須的。就算我們知道沒有其他人正在
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使用它，編譯器也將被阻止優化對臨界區內shared_data的訪問。在鎖有效的同時，
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shared_data不是volatile的。在處理共享數據的時候，適當的鎖操作可以不再需要
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volatile —— 並且是有潛在危害的。
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volatile的存儲類型最初是爲那些內存映射的I/O寄存器而定義。在內核裏，寄存器訪問也應
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該被鎖保護，但是人們也不希望編譯器“優化”臨界區內的寄存器訪問。內核裏I/O的內存訪問
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是通過訪問函數完成的；不贊成通過指針對I/O內存的直接訪問，並且不是在所有體系架構上
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都能工作。那些訪問函數正是爲了防止意外優化而寫的，因此，再說一次，volatile類型不
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是必需的。
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另一種引起用戶可能使用volatile的情況是當處理器正忙着等待一個變量的值。正確執行一
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個忙等待的方法是::
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while (my_variable != what_i_want)
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cpu_relax();
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cpu_relax()調用會降低CPU的能量消耗或者讓位於超線程雙處理器；它也作爲內存屏障一樣出
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現，所以，再一次，volatile不是必需的。當然，忙等待一開始就是一種反常規的做法。
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在內核中，一些稀少的情況下volatile仍然是有意義的：
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- 在一些體系架構的系統上，允許直接的I/0內存訪問，那麼前面提到的訪問函數可以使用
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volatile。基本上，每一個訪問函數調用它自己都是一個小的臨界區域並且保證了按照
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程序員期望的那樣發生訪問操作。
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- 某些會改變內存的內聯彙編代碼雖然沒有什麼其他明顯的附作用，但是有被GCC刪除的可
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能性。在彙編聲明中加上volatile關鍵字可以防止這種刪除操作。
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- Jiffies變量是一種特殊情況，雖然每次引用它的時候都可以有不同的值，但讀jiffies
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變量時不需要任何特殊的加鎖保護。所以jiffies變量可以使用volatile，但是不贊成
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其他跟jiffies相同類型變量使用volatile。Jiffies被認爲是一種“愚蠢的遺留物"
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（Linus的話）因爲解決這個問題比保持現狀要麻煩的多。
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- 由於某些I/0設備可能會修改連續一致的內存,所以有時,指向連續一致內存的數據結構
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的指針需要正確的使用volatile。網絡適配器使用的環狀緩存區正是這類情形的一個例
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子，其中適配器用改變指針來表示哪些描述符已經處理過了。
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對於大多代碼，上述幾種可以使用volatile的情況都不適用。所以，使用volatile是一種
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bug並且需要對這樣的代碼額外仔細檢查。那些試圖使用volatile的開發人員需要退一步想想
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他們真正想實現的是什麼。
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非常歡迎刪除volatile變量的補丁 － 只要證明這些補丁完整的考慮了併發問題。
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註釋
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[1] https://lwn.net/Articles/233481/
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[2] https://lwn.net/Articles/233482/
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致謝
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最初由Randy Dunlap推動並作初步研究
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由Jonathan Corbet撰寫
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參考Satyam Sharma，Johannes Stezenbach，Jesper Juhl，Heikki Orsila，
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H. Peter Anvin，Philipp Hahn和Stefan Richter的意見改善了本檔。
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