C++中的mutable和volatile

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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