C 语言 volatile 与 restrict
更新时间：2026-08-26。本文是
languages/c/主题专家层文档。volatile和restrict是两个容易被误解的类型限定符——它们不改变数据的值，只改变编译器怎么优化。volatile是"别优化我的读写"，restrict是"这俩指针不重叠、放心优化"。本文用反汇编实测讲清它们的真实作用。
本文要回答的问题
volatile到底是干什么的？为什么不是"多线程同步"？volatile用在什么场景是对的？哪些是误用？restrict怎么帮编译器做优化？
一、volatile：别优化我的读写
volatile 和 restrict 常被混为一谈,其实南辕北辙:一个关掉优化、一个打开优化。看下面这张图——volatile 告诉编译器"这块内存随时会变(比如硬件寄存器、被中断改的变量),每次都老老实实从内存读,别缓存进寄存器";restrict 则反过来,告诉编译器"这两个指针指向的内存不重叠,你可以放心做别名假设、放开手脚优化"。一个是"别动我的读写",一个是"放心,没有别名"。
1.1 实测：volatile 阻止优化
int read_loop(int *p) { // 无 volatile
int sum = 0;
for (int i = 0; i < 10; i++) sum += *p;
return sum;
}-O2 反汇编（无 volatile）：
<read_loop>:
mov (%rdi),%eax ; 只读了一次 *p
lea (%rax,%rax,4),%eax
add %eax,%eax ; 优化成 *p * 10
retq编译器看出"循环 10 次累加同一个 *p"，直接优化成 *p * 10，只读一次内存。
加上 volatile：
int read_loop_volatile(volatile int *p) {
int sum = 0;
for (int i = 0; i < 10; i++) sum += *p;
return sum;
}-O2 反汇编（有 volatile）：
<read_loop_volatile>:
mov $0xa,%edx ; 循环 10 次
xor %eax,%eax
.L:
mov (%rdi),%ecx ; 每次迭代都真读内存！
add %ecx,%eax
sub $0x1,%edx
jne .L
retq加了 volatile，循环完整保留，每次迭代都真正读内存。 因为 volatile 告诉编译器："这个地址的值可能随时被外部改变，每次都要真读，别缓存、别优化。"
1.2 volatile 的正确用法
| 场景 | 为什么用 volatile |
|---|---|
| 内存映射 IO 寄存器 | MMIO 寄存器的值由硬件改变，必须每次真读 |
| 信号处理器共享标志 | 见 信号处理，配合 sig_atomic_t |
| setjmp 跨越的变量 | longjmp 后值可能被改，需 volatile |
1.3 volatile 的误用
volatile ≠ 多线程同步——这是最常见的误解：
volatile int flag = 0; // 误以为能当线程同步标志volatile 不保证原子性、不保证内存序（详见 内存屏障与原子）。多线程共享变量必须用 _Atomic 或锁，不能用 volatile。
二、restrict：告诉编译器"无别名"
2.1 别名问题
void add(int *a, int *b, int *c, int n) {
for (int i = 0; i < n; i++)
c[i] = a[i] + b[i];
}编译器不敢激进优化，因为它担心 c 可能和 a、b 指向同一块内存（别名）——如果 c == a，那 c[i] = a[i]+b[i] 会破坏后续的 a。
2.2 restrict 声明无别名
void add(int *restrict a, int *restrict b, int *restrict c, int n) {
for (int i = 0; i < n; i++)
c[i] = a[i] + b[i];
}restrict 是你对编译器的承诺："这三个指针不会指向重叠内存"。编译器据此放心做向量化、重排等优化。
| 对比 | 无 restrict | 有 restrict |
|---|---|---|
| 编译器假设 | 指针可能重叠，保守 | 指针不重叠，激进 |
| 优化效果 | 受限 | 可向量化、重排 |
| 风险 | 无 | 你承诺错误 → UB |
restrict是 C99 引入的，C++ 没有（等价物是编译器的__restrict__扩展）。
三、与本站主线衔接
- 内存序与原子：volatile 与多线程正确性的关系，见 内存屏障与原子。
- 编译优化：类型限定符如何影响优化器，见 编译优化行为。
- 未定义行为：restrict 承诺错误导致的 UB，见 未定义行为与优化。
- 信号处理：volatile sig_atomic_t 的用法，见 信号处理。
一句话总结
volatile 是"别优化我的读写"（每次真读内存，实测阻止了 *p*10 的优化）、restrict 是"指针不重叠、放心优化"；volatile 用于 MMIO 和信号标志但绝不能当多线程同步，restrict 用于消除别名障碍——两者都是精准的优化开关，用错会引入 UB。