为什么编译器会优化掉由于 strncmp() 而导致的共享内存读取，即使使用了 volatile 关键字？

这是一个程序foo.c将数据写入共享内存。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int main()
{
    key_t key;
    int shmid;
    char *mem;

    if ((key = ftok("ftok", 0)) == -1) {
        perror("ftok");
        return 1;
    }

    if ((shmid = shmget(key, 100, 0600 | IPC_CREAT)) == -1) {
        perror("shmget");
        return 1;
    }

    printf("key: 0x%x; shmid: %d\n", key, shmid);

    if ((mem = shmat(shmid, NULL, 0)) == (void *) -1) {
        perror("shmat");
        return 1;
    }

    sprintf(mem, "hello");
    sleep(10);
    sprintf(mem, "exit");

    return 1;
}

这是另一个程序bar.c从同一共享内存中读取数据。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int main()
{
    key_t key;
    int shmid;
    volatile char *mem;

    if ((key = ftok("ftok", 0)) == -1) {
        perror("ftok");
        return 1;
    }

    if ((shmid = shmget(key, sizeof (int), 0400 | IPC_CREAT)) == -1) {
        perror("shmget");
        return 1;
    }

    printf("key: 0x%x; shmid: %d\n", key, shmid);

    if ((mem = shmat(shmid, NULL, 0)) == (void *) -1) {
        perror("shmat");
        return 1;
    }

    printf("looping ...\n");
    while (strncmp((char *) mem, "exit", 4) != 0)
        ;

    printf("exiting ...\n");

    return 0;
}

我首先在一个终端中运行 writer 程序。

touch ftok && gcc foo.c -o foo && ./foo

当写入器程序仍在运行时，我在另一个终端中运行读取器程序。

gcc -O1 bar.c -o bar && ./bar

阅读器程序进入无限循环。看起来优化器已经优化了以下代码

    while (strncmp((char *) mem, "exit", 4) != 0)
        ;

to

    while (1)
        ;

因为它在循环中看不到任何可以修改数据的内容mem读过一次后。

但我宣布mem as volatile正是因为这个原因；以防止编译器对其进行优化。

volatile char *mem;

为什么编译器仍然优化掉读取mem?

顺便说一下，我找到了一个有效的解决方案。有效的解决方案是修改

    while (strncmp((char *) mem, "exit", 4) != 0)
        ;

to

    while (mem[0] != 'e' || mem[1] != 'x' || mem[2] != 'i' || mem[3] != 't')
        ;

为什么编译器会优化掉strncmp((char *) mem, "exit", 4) != 0但并没有优化掉mem[0] != 'e' || mem[1] != 'x' || mem[2] != 'i' || mem[3] != 't'虽然char *mem被声明为volatile在这两种情况下？

6.7.3 类型限定符

6 [...] If an attempt is made to refer to an object defined with a volatile-qualified type through use of an lvalue with non-volatile-qualified type, the behavior is undefined.¹³³⁾

¹³³⁾ This applies to those objects that behave as if they were defined with qualified types, even if they are never actually defined as objects in the program (such as an object at a memory-mapped input/output address).

这正是您在代码中观察到的。编译器基本上是在“行为无论如何都未定义”的狂野自由下优化您的代码。

换句话说，不可能正确应用strncmp直接到易失性数据。

你可以做的就是实现你自己的比较，不丢弃volatile限定符（这是您已经完成的），或者使用一些易失性感知方法将易失性数据复制到非易失性存储，并且它们适用strncmp到后者。