متقلب (برمجة الحاسوب)

في برمجة الحاسوب ، يُقال إن المتغير متقلب إذا كان من الممكن قراءة قيمته أو تعديلها بشكل غير متزامن بواسطة أي شيء آخر غير سلسلة التنفيذ الحالية . قد تتغير قيمة المتغير volatileتلقائيًا لأسباب مثل: مشاركة القيم مع سلاسل تنفيذ أخرى؛ مشاركة القيم مع معالجات الإشارات غير المتزامنة ؛ الوصول إلى أجهزة الحاسوب عبر الإدخال/الإخراج المُمَثَّل في الذاكرة (حيث يمكن استقبال الرسائل من الأجهزة الطرفية وإرسالها عن طريق القراءة من الذاكرة والكتابة إليها). يختلف دعم حالات الاستخدام هذه اختلافًا كبيرًا بين لغات البرمجة التي تحتوي على volatileالكلمة المفتاحية volatile. قد يكون للتقلب آثار على اصطلاحات استدعاء الدوال وكيفية تخزين المتغيرات والوصول إليها وتخزينها مؤقتًا.

في لغتي C و C++، volatileهو مؤهل نوع ، مثل const، وهو جزء من نوع (على سبيل المثال نوع متغير أو حقل).

volatileيُشرح سلوك الكلمة المفتاحية في لغتي C و C++ أحيانًا من منظور كبح تحسينات المُصرّف المُحسِّن : 1- عدم حذف volatileعمليات القراءة والكتابة الموجودة، 2- عدم إضافة volatileعمليات قراءة وكتابة جديدة، 3- عدم إعادة ترتيب volatileعمليات القراءة والكتابة. مع ذلك، يُعد هذا التعريف تقريبيًا فقط لتسهيل الأمر على المتعلمين الجدد، ولا ينبغي الاعتماد عليه لكتابة برامج إنتاجية حقيقية.

في لغة C، وبالتالي في لغة C++، volatileكان المقصود من الكلمة المفتاحية ما يلي: ^{[ 1 ]}

• السماح بالوصول إلى أجهزة الإدخال/الإخراج المُرتبطة بالذاكرة .
• السماح بالحفاظ على القيم عبر longjmp.
• السماح بمشاركة القيم بين معالجات الإشارات وبقية البرنامج في volatilesig_atomic_tالكائنات.

تسمح معايير لغتي C و C++ بكتابة شيفرة قابلة للنقل تتشارك القيم بين longjmpالكائنات volatile، كما تسمح بكتابة شيفرة قابلة للنقل تتشارك القيم بين معالجات الإشارات وبقية الشيفرة في volatilesig_atomic_tالكائنات. أي استخدام آخر volatileللكلمة المفتاحية في لغتي C و C++ غير قابل للنقل أو غير صحيح بطبيعته. على وجه الخصوص، كتابة شيفرة باستخدام volatileالكلمة المفتاحية لأجهزة الإدخال/الإخراج المُرتبطة بالذاكرة غير قابلة للنقل بطبيعتها، وتتطلب دائمًا معرفة متعمقة بتنفيذ C/C++ والمنصة المستهدفة.

static int foo ;دالة فارغة bar ( فارغة ) { foo = 0 ;بينما ( foo != 255 ) {} }

void bar_optimized ( void ) { foo = 0 ;بينما ( صحيح ) {} }

ثابت متقلب عدد صحيح foo ؛دالة فارغة bar ( فارغة ) { foo = 0 ;بينما ( foo != 255 ) {} }

#include <stdio.h>int main () { // لن يتم إنشاء هذه المتغيرات على المكدس أبدًا int a = 10 ; int b = 100 ; int c = 0 ; int d = 0 ;/*  سيتم استدعاء "printf" مع الوسيطين "%d" و  110 (يحسب المترجم مجموع a+b)،  وبالتالي لا توجد تكلفة إضافية لإجراء عملية الجمع في  وقت التشغيل  */ printf ( "%d" , a + b );/*  سيتم حذف هذا الكود لاحقًا من خلال التحسين، ولكن  يمكن ملاحظة تأثير تحويل قيمتي 'c' و'd' إلى 100  عند استدعاء دالة "printf"  */ a = b ; c = b ; d = b ;/*  سيقوم المترجم بإنشاء كود حيث يتم استدعاء printf  مع الوسائط "%d" و 200  */ printf ( "%d" , c + d );return 0 ; }

#include <stdio.h>int main () { volatile int a = 10 ; volatile int b = 100 ; volatile int c = 0 ; volatile int d = 0 ;printf ( "%d" , a + b );أ = ب ؛ ج = ب ؛ د = ب ؛printf ( "%d" , c + d );return 0 ; }

.file "noVolatileVar.c" .intel_syntax noprefix .section .rodata.str1.1 , "aMS" , @progbits , 1 .LC0: .string "%d" .section .text.startup , "ax" , @progbits .p2align 4 ,, 15 .globl main .type main , @function main: .LFB11: .cfi_startproc sub rsp , 8 .cfi_def_cfa_offset 16 mov esi , 110 mov edi , OFFSET FLAT :. LC0 xor eax , eax call printf mov esi , 200 mov edi , OFFSET FLAT :. LC0 xor eax , eax call printf xor eax , eax add rsp , 8 .cfi_def_cfa_offset 8 ret .cfi_endproc .LFE11: .size main , .-main .ident "GCC: (GNU) 4.8.2" .section .note.GNU-stack , "" , @progbits

.file "VolatileVar.c" .intel_syntax noprefix .section .rodata.str1.1 , "aMS" , @progbits , 1 .LC0: .string "%d" .section .text.startup , "ax" , @progbits .p2align 4 ,, 15 .globl main .type main , @function main: .LFB11: .cfi_startproc sub rsp , 24 .cfi_def_cfa_offset 32 ​​mov edi , OFFSET FLAT :. LC0 mov DWORD PTR [ rsp ], 10 mov DWORD PTR [ rsp + 4 ], 100 mov DWORD PTR [ rsp + 8 ], 0 mov DWORD PTR [ rsp + 12 ], 0 mov esi , DWORD PTR [ rsp ] mov eax , DWORD PTR [ rsp + 4 ] add esi , eax xor eax , eax call printf mov eax , DWORD PTR [ rsp + 4 ] mov edi , OFFSET FLAT :. LC0 mov DWORD PTR [ rsp ], eax mov eax , DWORD PTR [ rsp + 4 ] mov DWORD PTR [ rsp + 8 ], eax mov eax , DWORD PTR [ rsp + 4 ] mov DWORD PTR [ rsp + 12 ], eax mov esi , DWORD PTR [ rsp + 8 ] mov eax , DWORDPTR [ rsp + 12 ] add esi , eax xor eax , eax call printf xor eax , eax add rsp , 24 .cfi_def_cfa_offset 8 ret .cfi_endproc .LFE11: .size main , .-main .ident "GCC: (GNU) 4.8.2" .section .note.GNU-stack , "" , @progbits

في جميع الإصدارات الحديثة من لغة برمجة جافا ، volatileتوفر الكلمة المفتاحية الضمانات التالية:

• volatileعمليات القراءة والكتابة ذرية . على وجه الخصوص، لن يحدث أي تمزق في البيانات عند قراءة أو كتابة longالحقول . ( ينطبق ضمان الذرية فقط على القيمة الأولية أو القيمة المرجعية، وليس على أي قيمة كائن).doublevolatilevolatile
• يوجد ترتيب عالمي موحد لجميع volatileعمليات القراءة والكتابة. بمعنى آخر، volatileتقرأ عملية القراءة القيمة الحالية (وليس قيمة سابقة أو مستقبلية)، volatileوتتفق جميع عمليات القراءة على ترتيب عالمي موحد لعمليات volatileالكتابة.
• volatileتتضمن عمليات القراءة والكتابة دلالات "الاستحواذ" و"التحرير" لحواجز الذاكرة (المعروفة في معيار جافا باسم " يحدث قبل "). ^{[ 9 ] [ 10 ]} بعبارة أخرى، volatileتوفر هذه الخاصية ضمانات بشأن الترتيب النسبي لعمليات volatileالقراءة volatileوالكتابة. بعبارة أخرى، volatileتوفر هذه الخاصية بشكل أساسي نفس ضمانات رؤية الذاكرة التي توفرها كتلة متزامنة في جافا (ولكن بدون ضمانات الاستبعاد المتبادل التي توفرها الكتلة المتزامنة ).

تُشكّل هذه الضمانات مجتمعةً volatileبنيةً مفيدةً للمعالجة المتعددة في جافا . وعلى وجه الخصوص، تعمل خوارزمية القفل المزدوجة التحقق النموذجية volatileبشكل صحيح في جافا . ^{[ 11 ]}

في لغة C# ، volatileيضمن هذا أن الكود الذي يصل إلى الحقل لا يخضع لبعض التحسينات غير الآمنة للخيوط والتي قد يُجريها المُصرّف أو بيئة CLR أو الأجهزة. عند وضع علامة على حقل volatile، يُوجّه المُصرّف لإنشاء "حاجز ذاكرة" أو "سياج" حوله، مما يمنع إعادة ترتيب التعليمات أو التخزين المؤقت المرتبط بالحقل. عند قراءة volatileحقل، يُنشئ المُصرّف سياجًا للاستحواذ ، مما يمنع عمليات القراءة والكتابة الأخرى للحقل من الانتقال قبل هذا السياج. عند الكتابة إلى volatileحقل، يُنشئ المُصرّف سياجًا للإفراج ؛ يمنع هذا السياج عمليات القراءة والكتابة الأخرى للحقل من الانتقال بعد هذا السياج. ^{[ 12 ]}

لا يمكن وضع علامة إلا على الأنواع التالية : جميع volatileأنواع المراجع، Singleوجميع الأنواع المُعدّدة التي يكون نوعها الأساسي من النوع ، أو . [ ^{13 ] (} يستثنى من ذلك Booleanهياكل القيم ، بالإضافة إلى الأنواع الأولية . )ByteSByteInt16UInt16Int32UInt32CharByteSByteInt16UInt16Int32UInt32DoubleInt64UInt64Decimal

volatileلا يدعم استخدام الكلمة المفتاحية الحقول التي يتم تمريرها بالمرجع أو المتغيرات المحلية الملتقطة ؛ في هذه الحالات، Thread.VolatileReadيجب Thread.VolatileWriteاستخدام بدلاً من ذلك. ^{[ 12 ]}

في الواقع، تُعطّل هذه الطرق بعض التحسينات التي يُجريها عادةً مُصرّف لغة C#، أو مُصرّف JIT، أو وحدة المعالجة المركزية نفسها. وتُعدّ الضمانات التي تُوفّرها هذه الطرق Thread.VolatileReadمجموعةً Thread.VolatileWriteشاملةً للضمانات التي تُوفّرها الكلمة volatileالمفتاحية: فبدلاً من إنشاء "حاجز جزئي" (أي حاجز الاستحواذ الذي يمنع فقط إعادة ترتيب التعليمات وتخزينها مؤقتًا قبلها)، VolatileReadتُنشئ VolatileWriteهذه الطرق "حاجزًا كاملاً" يمنع إعادة ترتيب التعليمات وتخزين ذلك الحقل مؤقتًا في كلا الاتجاهين. ^{[ 12 ]} وتعمل هذه الطرق على النحو التالي: ^{[ 14 ]}

• تُجبر هذه Thread.VolatileWriteالطريقة على كتابة القيمة الموجودة في الحقل عند نقطة الاستدعاء. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تتم أي عمليات تحميل وتخزين سابقة بترتيب البرنامج قبل الاستدعاء، VolatileWriteوأي عمليات تحميل وتخزين لاحقة بترتيب البرنامج يجب أن تتم بعد الاستدعاء.
• تُجبر هذه Thread.VolatileReadالطريقة على قراءة القيمة الموجودة في الحقل عند نقطة الاستدعاء. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تتم أي عمليات تحميل وتخزين سابقة بترتيب البرنامج قبل الاستدعاء، VolatileReadوأي عمليات تحميل وتخزين لاحقة بترتيب البرنامج يجب أن تتم بعد الاستدعاء.

تُنشئ الطريقتان Thread.VolatileRead`and` Thread.VolatileWriteحاجزًا كاملًا عن طريق استدعاء Thread.MemoryBarrierالطريقة `and`، التي تُنشئ حاجزًا للذاكرة يعمل في كلا الاتجاهين. بالإضافة إلى دوافع استخدام الحاجز الكامل المذكورة أعلاه، تتمثل إحدى المشكلات المحتملة مع الكلمة volatileالمفتاحية `and`، والتي يتم حلها باستخدام حاجز كامل مُنشأ بواسطة `and`، Thread.MemoryBarrierفيما يلي: نظرًا للطبيعة غير المتماثلة للحواجز النصفية، volatileقد يُبدّل المُصرّف ترتيب التنفيذ لحقل يحتوي على تعليمة كتابة متبوعة بتعليمات قراءة. ولأن الحواجز الكاملة متماثلة، فإن هذه المشكلة لا تُشكّل عائقًا عند استخدام `and` Thread.MemoryBarrier. ^{[ 12 ]}

VOLATILEيُعدّ جزءًا من معيار Fortran 2003 ، ^{[ 15 ]} على الرغم من أن الإصدارات السابقة كانت تدعمه كإضافة. volatileكما أن تعريف جميع المتغيرات في دالة ما يُفيد في اكتشاف الأخطاء المتعلقة بالأسماء المستعارة .

عدد صحيح ، متقلب :: i ! عندما لا يتم تعريف متقلب، يكون السطران التاليان من التعليمات البرمجية متطابقين: write ( * , * ) i ** 2 ! يقوم بتحميل المتغير i مرة واحدة من الذاكرة ويضرب تلك القيمة في نفسها. write ( * , * ) i * i ! يقوم بتحميل المتغير i مرتين من الذاكرة ويضرب تلك القيم.

من خلال الرجوع الدائم إلى ذاكرة المتغيرات المتغيرة (VOLATILE)، يُمنع مُترجم لغة فورتران من إعادة ترتيب عمليات القراءة أو الكتابة إلى هذه المتغيرات. وهذا يجعل الإجراءات التي تتم في هذا الخيط مرئية للخيوط الأخرى، والعكس صحيح. ^{[ 16 ]}

يؤدي استخدام VOLATILE إلى تقليل التحسين، بل وقد يمنعه تمامًا. ^{[ 17 ]}

• دليل مرجعي لـ Ada C.6: التحكم في المتغيرات المشتركة
• نواة لينكس: volatile-considered-harmful