Скотт Мейерс - Эффективный и современный С++. 42 рекомендации по использованию С++11 и С++14

auto imptValue = computeImportantValue(); // Вычисление значения

valAvailable = true; // Сообщение об этом

// другому потоку

компиляторы должны не только сохранять порядок присваиваний imptValueи valAvailable, но и генерировать код, который гарантирует, что так же поведет себя и аппаратное обеспечение. В результате объявление valAvailableкак std::atomicгарантирует выполнение критичного требования к упорядоченности — что значение imptValueдолжно быть видимо всеми потоками как измененное не позже, чем значение valAvailable.

Объявление valAvailableкак volatileне накладывает такое ограничение на переупорядочение кода:

volatilebool valAvailable(false);

auto imptValue = computeImportantValue();

valAvailable = true; // Другие потоки могут увидеть это

// присваивание до присваивания imptValue!

Здесь компиляторы могут изменить порядок присваиваний переменным imptValueи valAvailable, но даже если они этого не сделают, они могут не сгенерировать машинный код, который предотвратит возможность аппаратному обеспечению сделать так, что другие ядра увидят изменение valAvailableдо изменения imptValue.

Эти две проблемы — отсутствие гарантии атомарности операции и недостаточные ограничения на переупорядочение кода — поясняют, почему volatileбесполезен для параллельного программирования, но не поясняют, для чего же этот квалификатор полезен. В двух словах — чтобы сообщать компиляторам, что они имеют дело с памятью, которая не ведет себя нормально.

“Нормальная”, “обычная” память обладает тем свойством, что если вы записываете в нее значение, то оно остается неизменным, пока не будет перезаписано. Так что если у меня есть обычный int

int x;

и компилятор видит последовательность операций

auto y = x; // Чтение x

y = x; // Чтение x еще раз

то он может оптимизировать генерируемый код, убрав присваивание переменной y, поскольку оно является излишним из-за инициализации у.

Обычная память обладает также тем свойством, что если вы запишете значение в ячейку памяти, никогда не будете его читать, а потом запишете туда же что-то еще, то первую запись можно не выполнять, потому что записанное ею значение никогда не используется. С учетом этого в коде

x = 10; // Запись x

х = 20; // Запись x еще раз

компиляторы могут убрать первую инструкцию. Это означает, что если у нас имеется код

auto y = x; // Чтение x

y = x; // Чтение x еще раз

x = 10; // Запись x

х = 20; // Запись x еще раз

то компиляторы могут рассматривать его, как если бы он имел следующий вид:

auto y = x; // Чтение x

х = 20; // Запись x

Чтобы вас не мучило любопытство, кто в состоянии написать такой код с избыточными чтениями и лишними записями (технически известными как избыточные загрузки (redundant loads) и бессмысленные сохранения (dead stores)), отвечу: нет, люди не пишут непосредственно такой код, по крайней мере я очень на это надеюсь. Однако после того как компиляторы получают разумно выглядящий код и выполняют инстанцирования шаблонов, встраивание кода и различные виды переупорядочивающих оптимизаций, в результате не так уже редко получаются и избыточные загрузки, и бессмысленные сохранения, от которых компиляторы могут избавиться.

Такие оптимизации корректны, только если память ведет себя нормально. “Особая” память так себя не ведет. Наиболее распространенным видом особой памяти, вероятно, является память, используемая для отображенного на память ввода-вывода. . Вместо чтения и записи обычной памяти, местоположения в такой особой памяти в действительности сообщаются с периферийными устройствами, например внешними датчиками или мониторами, принтерами, сетевыми портами и т.п. Давайте с учетом этого снова рассмотрим код с, казалось бы, избыточными чтениями:

auto y = x; // Чтение x

y = x; // Чтение x еще раз

Если xсоответствует, скажем, значению, которое передает датчик температуры, то второе чтение xизбыточным не является, поскольку температура между первым и вторым чтениями может измениться.

Похожа ситуация с записями, кажущимися излишними. Например, если в коде

x = 10; // Запись x

х = 20; // Запись x еще раз

переменная x соответствует управляющему порту радиопередатчика, может оказаться, что этот код выполняет некоторые команды с радиопередатчиком, и значение 10 соответствует команде, отличной от имеющей код 20. Оптимизация, убирающая первое присваивание, могла бы изменить последовательность команд, отправляемых радиопередатчику.