C++でグローバル変数にvolatileの指定があったので「指定する意味あるの?」と思い、その効果を体験した。
環境: Ubuntu 22.04.2 LTS, g++ 11.3.0

ソースコード

グローバル変数を参照する無限ループを作成。
グローバル変数はシグナルハンドラで更新される。

main.cpp

#include <iostream>
#include <signal.h>

//volatile int a = 0; // volatile指定あり
int a = 0;            // volatile指定なし

void sig_handler(int signo) // シグナルハンドラ
{
	std::cout << "received signal: " << signo << "\n";
	a = 1;
}

int main()
{
	signal(SIGUSR1, sig_handler); // SIGUSR1受信時sig_handlerを実行
	while(a == 0)
	{
		// 無限ループ
	}
	std::cout << "got out from the loop\n";
}

コンパイル

端末01

$ g++ main.cpp

実行

端末01

$ ./a.out

別のターミナルからシグナル送信

端末02

$ killall -SIGUSR1 a.out

whileループを抜けてプログラムは終了

端末01

received signal: 10
got out from the loop
$

ここまでは期待通りの動作。

最適化付きコンパイル

コンパイル時に最適化を行う。
最適化の引数は複数存在する。今回は-O1 (基本的な最適化)と-O2(ほとんどの最適化)で試す。

-O1 (基本的な最適化)でコンパイルした結果

コンパイル

端末01

$ g++ main.cpp -O1

実行

端末01

$ ./a.out

別のターミナルからシグナル送信。何度か送信。

端末02

$ killall -SIGUSR1 a.out
$ killall -SIGUSR1 a.out
$ killall -SIGUSR1 a.out

シグナルハンドラは呼ばれているが、whileループは抜けずにプログラムは終了しない。

端末01

received signal: 10
received signal: 10
received signal: 10

マジか

-O2 (ほとんどの最適化)でコンパイルした結果

コンパイル

端末01

$ g++ main.cpp -O2

実行

端末01

$ ./a.out
got out from the loop

いきなりwhileループ抜けて勝手に終了。
何じゃそりゃ。

volatileの効果の確認

最適化で散々になった結果をvolatile指定で正常になることを確認。

コードの修正: volatile付きのグローバル変数を有効化

volatile int a = 0; // volatile指定あり
//int a = 0;            // volatile指定なし

コンパイル:-O1付き

端末01

$ g++ main.cpp -O1

実行

端末01

$ ./a.out

別のターミナルからシグナル送信

端末02

$ killall -SIGUSR1 a.out

whileループを抜けてプログラムは終了

端末01

received signal: 10
got out from the loop
$

期待通りの動作。

コンパイル:-O2付き

端末01

$ g++ main.cpp -O2

実行

端末01

$ ./a.out

別のターミナルからシグナル送信

端末02

$ killall -SIGUSR1 a.out

whileループを抜けてプログラムは終了

端末01

received signal: 10
got out from the loop
$

期待通りの動作。

結論

最適化でプログラムは期待しない動作となった。
volatile指定で最適化で発生した問題が解消された。volatileを指定する意味があることがわかった。

めでたしめでたし