未开启编译优化时volatile变量为何运行更快？

先贴出测试代码：

#include <stdio.h>
#include <cstdlib>

int main() {
    long long a = 0;
    
    long long until = 1000000000;
    for (long long i = 0; i < until; i++) {
        a += i;
    }

    printf("%lld\n", a);

    return EXIT_SUCCESS;
}

当给变量a添加volatile限定符后，无优化编译时代码运行速度快了近3倍。

测试平台信息：

• 编译器：g++ 9.4.0
• 系统：Ubuntu 20.04
• 硬件：Intel i7 x86_64

基准测试结果 #

无优化（-O0） #

volatile
499999999500000000

real    0m0.409s
user    0m0.405s
sys 0m0.004s
====================
normal
499999999500000000

real    0m1.672s
user    0m1.672s
sys 0m0.000s

开启优化后的情况 #

Level 1优化（-O1）

volatile
499999999500000000

real    0m0.237s
user    0m0.235s
sys 0m0.000s
====================
normal
499999999500000000

real    0m0.228s
user    0m0.223s
sys 0m0.004s

Level 2优化（-O2）

volatile
499999999500000000

real    0m0.237s
user    0m0.235s
sys 0m0.000s
====================
normal
499999999500000000

real    0m0.228s
user    0m0.223s
sys 0m0.004s

Level 3优化（-O3）

volatile
499999999500000000

real    0m0.248s
user    0m0.248s
sys 0m0.000s
====================
normal
499999999500000000

real    0m0.001s
user    0m0.001s
sys 0m0.000s

我现在搞不懂两个问题：

1. 为什么未开启优化时，volatile变量的访问速度反而更快？
2. 非volatile变量为什么没能利用缓存命中来提升速度？

内容的提问来源于stack exchange，提问作者sekomer