Volatile: Endgame come, quando e perché usare il type qualifier volatile in C

Scott Lang/Ant-Man: No, se rispettiamo le regole del viaggio nel tempo: non parlare con noi che troveremo in quel passato, non scommettere su eventi sportivi...
Tony Stark/Iron Man: Ti fermo prima che tu vada avanti, Scott. Mi stai seriamente dicendo che il tuo piano per salvare l'universo è basato su Ritorno al Futuro?

Il bel Avengers: Endgame termina in maniera magistrale il primo ciclo degli Avengers Marvel, ed è un bel film che chiude varie trame e sotto-trame iniziate tempo addietro, ed ha molteplici chiavi di lettura che gli permettono di piacere sia ai Cinefili (come me) sia a chi pensa che un Cinema è "un posto come un altro per ripararsi dalla pioggia" [S.Kubrick, 1987].

E cosa centra tutto questo con la famigerata keyword volatile? Beh, forse la presenza di trame e sotto-trame di una lunga storia che ha creato non pochi equivoci sull'argomento. Con questo articolo vorrei creare un Endgame sull'uso e disuso di volatile, ma ho obiettivi limitati e realistici: perlomeno mi accontenterei di dare qualche utile informazione a chi neppure sa cosa sia e, allo stesso tempo, di non confondere le idee a chi la usa già in maniera efficace. Speriamo bene...

...ti spiego: un volatile non necessariamente ha le ali...

E direi di cominciare con le buone notizie:

• La prima buona notizia è che volatile si usa veramente col contagocce, perché realmente serve solo nella programmazione di bassissimo livello, quella a stretto contato con l'Hardware: quindi se non siete dei programmatori hard-embedded probabilmente non la userete mai.
• La seconda buona notizia è che l'uso improprio di volatile è probabile che non faccia molti danni: nel senso che se la usate (per sbaglio) quando in realtà non vi serve è molto probabile che il codice funzioni ugualmente bene: in quel caso potrete essere fieri di avere un codice ben funzionante nonostante l'uso di volatile (sono soddisfazioni...).

Ma c'è anche una cattiva notizia molto somigliante alla seconda descritta sopra:

• L'uso improprio di volatile potrebbe anche fare molti danni: nel senso che se la usate per scopi che non sono quelli previsti dallo standard, è molto probabile che il codice abbia dei malfunzionamenti veramente strani e difficili da capire, roba da sindrome di "mal di testa del programmatore".

E veniamo al dunque: nel titolo di questo articolo preannunciavo la descrizione del come, quando e perché usare volatile in C, per cui ora ci tocca cominciare con:

IL COME:

Ricordiamo che volatile è un type qualifier, e quindi si usa (solo) per aggiungere una proprietà a un tipo qualsiasi già esistente, quindi il come è semplicissimo e, ad esempio, possiamo scrivere:

int dummy; // un int normalissimo che si chiama dummy

volatile int vol_dummy; // un int di tipo volatile che si chiama vol_dummy

E approfitto l'occasione per ricordare che i type qualifier sono solo quattro, e che gli altri sono const, restrict e _Atomic : magari ne parleremo in un prossimo articolo (magari uno per ogni qualificatore). E ora siamo pronti a passare al prossimo punto:

IL QUANDO:

In questo caso è sufficiente ricordare i motivi "storici" alla base dell'uso di volatile, quattro motivi raggruppati sotto la definizione: "in tutte situazioni in cui il valore della variabile può cambiare senza azione da parte del codice visibile". E vediamoli, questi quattro quando (spoiler: il quarto è sbagliatissimo):

1. Quando ci si interfaccia con un Hardware che cambia il valore stesso della variabile.
2. Quando c'è un gestore di segnali che potrebbe cambiare il valore della variabile.
3. Quando una variabile cambia tra un setjmp e il longjmp collegato.
4. Quando c'è un altro thread in esecuzione che usa anche lui la stessa variabile (ERRORE! Anzi, ORRORE!)

Ecco, il punto 4 è veramente sbagliato, ma non ve lo spiegherò direttamente, lo vedremo nel prossimo punto, che è:

IL PERCHÉ:

Ma perché scrivendo del codice bisogna informare qualche entità suprema che la variabile è volatile? Ma che gliene frega all'entità suprema (che è, in questo caso, il compilatore) che qualcuno esternamente potrebbe modificare il valore della variabile? Sembrerebbe più un problema di run-time che di compile-time, eppure... beh, la risposta è semplice: perché funzioni il tutto  il compilatore deve sviluppare del codice-macchina che sia a conoscenza che quella variabile è speciale, che quella variabile non cambia per le operazioni dirette scritte nel codice ma cambia per alcune ingerenze esterne.

E tutto questo è strettamente collegato alle ottimizzazioni: dovete sapere (beh, immagino che lo sappiate già) che i compilatori hanno la pessima (o ottima, dipende dai punti di vista) abitudine di ottimizzare il codice (...vedi al proposito questo ottimo articolo...). Quindi, il compilatore ha bisogno di sapere se la variabile è volatile, per evitare di eseguire ottimizzazioni dannose su un codice apparentemente "strano" come può apparire un codice che ha veramente bisogno di variabili volatili (l'ottimizzatore del compilatore non può capire tutti i dettagli se non glieli esplicitiamo).

E adesso vi propongo un esempio semplicissimo, che è uno dei tanti possibili (è veramente, ma veramente, semplificato, ma è solo per rendere l'idea):

int main()

{

int dummy = 0; // per semplificare, ma dovrebbe essere esterna

while (dummy == 0) {

// eseguo qualcosa...

;

}

return 0;

}

ecco, questo semplice codice verrà trasformato dal compilatore (anche con ottimizzazioni minime, ad esempio usando -O1  nel caso del GCC ) in:

int main()

{

int dummy = 0; // per semplificare, ma dovrebbe essere esterna

while (1) {

// eseguo qualcosa...

;

}

return 0;

}

Questo perché il test della variabile nel while è inutile, già che la condizione è sempre vera.

Ma cosa succede se la mia variabile dummy è una abilitazione proveniente da una variabile mappata direttamente nell'Hardware (un input digitale, per esempio)? Succede che il test che sembrava inutile in realtà deve essere sempre fatto, e quindi mio codice non funziona più! E che si fa allora? Si fa questo:

int main()

{

volatile int vol_dummy = 0; // per semplificare, ma dovrebbe essere esterna

while (vol_dummy == 0) {

// eseguo qualcosa...

;

}

return 0;

}

In questo caso il compilatore è informato che non deve assolutamente ottimizzare il loop, perché è basato su una variabile volatile, e se provate a ottenere l'assembler dalla compilazione ve ne renderete facilmente conto (certo, spiegare dettagli della programmazione C usando l'assembler è un po' fuorviante, ma in questo caso ci sta bene). E questo spiega anche la seconda buona notizia descritta sopra: se usiamo volatile dove non ce n'è bisogno, alla fin fine solo stiamo disabilitando le ottimizzazioni per una parte limitata del codice, e questo non provoca malfunzionamenti, ma, al massimo, una riduzione delle prestazioni.

E la allora, perché il punto 4 del quando era sbagliato? Questo ci porta alla cattiva notizia descritta in testa all'articolo: se usiamo volatile dove non bisogna usarla, potremmo avere dei problemi, e questo nasce da un vecchio malinteso: il motivo per cui la variabile si intende come "modificabile esternamente"  è valido solo per i primi tre casi elencati sopra, ma non include le modifiche effettuate da un altro thread. Una operazione thread-safe su una variabile deve essere atomica (usando i costrutti forniti dal linguaggio) oppure deve essere protetta dai soliti metodi di sincronizzazione disponibili: mutex, spinlock, ecc. Le operazioni su una volatile non sono atomiche, e quindi non sono adatte per eseguire sincronizzazione (e questo è specificato anche nei vari standard (C, POSIX e altri).

E per oggi penso che possa bastare, e spero di non avere aggiunto confusione a un argomento già di per sé abbastanza confuso...

Ciao, e al prossimo post!