[轉]C語言關鍵字volatile的使用

一個定義爲volatile的變量是說這變量可能會被意想不到地改變,這樣,編譯器就不會去假設這個變量的值了。精確地說就是,優化器在用到這個變量時必須每次都小心地重新讀取這個變量的值,而不是使用保存在寄存器裏的備份。下面是volatile變量的幾個例子:
1) 並行設備的硬件寄存器(如:狀態寄存器)
2)  一箇中斷服務子程序中會訪問到的非自動變量(Non-automatic variables)
3)  多線程應用中被幾個任務共享的變量
回答不出這個問題的人是不會被僱傭的。我認爲這是區分C程序員和嵌入式系統程序員的最基本的問題。嵌入式系統程序員經常同硬件、中斷、RTOS等等打交道,這些都要求volatile變量。不懂得volatile內容將會帶來災難。
假設被面試者正確地回答了這些問題(嗯,懷疑是否會是這樣),我將稍微深究一下,看一下這傢伙是不是直正完全懂得volatile的重要性。
1) 一個參數既可以是const還可以是volatile嗎?解釋爲什麼。
2) 一個指針可以是volatile 嗎?解釋爲什麼。
3) 下面的函數有什麼錯誤:
int square(volatile int *ptr)
{
   return *ptr * *ptr;
}
下面是答案:
1) 是的。一個例子是隻讀的狀態寄存器。它是volatile因爲它可能被意想不到地改變。它是const因爲程序不應該試圖去修改它。
2) 是的。儘管這並不很常見。一個例子是當一箇中斷服務子程序修改指向一個buffer的指針時。
3) 這段代碼裏有個惡作劇。這段代碼的目的是用來返指針*ptr指向值的平方,但是,由於*ptr指向一個volatile型參數,編譯器將產生類似下面的代碼:
int square(volatile int *ptr)
{
  int a,b;
  a = *ptr;
  b = *ptr;
  return a * b;
}
由於*ptr的值可能被意想不到地該變,因此a和b可能是不同的。結果,這段代碼可能返回值不是你所期望的平方值!正確的代碼如下:
long square(volatile int *ptr)
{
  int a;
  a = *ptr;
  return a * a;
}
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volatile的本意是“易變的”
由於訪問寄存器的速度要快過RAM,所以編譯器一般都會作減少存取外部RAM的優化。比如:

static int i=0;

int main(void)
{
  ...
  while (1)
  {
    if (i) dosomething();
  }
}

/* Interrupt service routine. */
void ISR_2(void)
{
  i=1;
}

程 序的本意是希望ISR_2中斷產生時,在main當中調用dosomething函數,但是,由於編譯器判斷在main函數裏面沒有修改過i,因此可能只 執行一次對從i到某寄存器的讀操作,然後每次if判斷都只使用這個寄存器裏面的“i副本”,導致dosomething永遠也不會被調用。如果將將變量加 上volatile修飾,則編譯器保證對此變量的讀寫操作都不會被優化(肯定執行)。此例中i也應該如此說明。

一般說來,volatile用在如下的幾個地方:
1、中斷服務程序中修改的供其它程序檢測的變量需要加volatile;
2、多任務環境下各任務間共享的標誌應該加volatile;
3、存儲器映射的硬件寄存器通常也要加volatile說明,因爲每次對它的讀寫都可能有不同意義;

另外,以上這幾種情況經常還要同時考慮數據的完整性(相互關聯的幾個標誌讀了一半被打斷了重寫),在1中可以通過有關中斷來實現,2中可以禁止任務調度,3中則只能依靠硬件的良好設計了。

volatile 的含義
volatile 總是與優化有關,編譯器有一種技術叫做數據流分析,分析程序中的變量在哪裏賦值、在哪裏使用、在哪裏失效,分析結果可以用於常量合併,常量傳播等優化,進 一步可以使代碼消除。但有時這些優化不是程序所需要的,這時可以用volatile關鍵字禁止做這些優化,volatile的字面含義是易變的,它有下面 的作用:

1、不會在兩個協作之間把volatile變量緩存在寄存器中。在多任務、中斷、甚至setjmp環境下,變量可能被其他的程序改變,編譯器自己無法知道,volatile就是告訴編譯器這種情況。

2、不做常量合併、常量傳播等優化,所以像下面的代碼:
volatile int i = 1;
if (i > 0) ...

if的條件不會當作無條件真。

3、對volatile變量的讀寫不會被優化掉。如果你對一個變量賦值但後面沒用到,編譯器常常可以省略那個賦值***作,然而對Memory Mapped IO的處理是不能這樣優化的。

前面有人說volatile可以保證對內存操作的原子性,這種說法不大準確,其一,x86需要LOCK前綴才能在SMP下保證原子性,其二,RISC根本不能對內存直接運算,要保證原子性得用別的方法,如atomic_inc。

對於jiffies,它已經聲明爲volatile變量,我認爲直接用jiffies++就可以了,沒必要用那種複雜的形式,因爲那樣也不能保證原子性。

你可能不知道在Pentium及後續CPU中,下面兩組指令:

inc jiffies
;;
mov jiffies, %eax
inc %eax
mov %eax, jiffies

作用相同,但一條指令反而不如三條指令快。


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關鍵在於兩個地方:

1、編譯器的優化


在 本線程內,當讀取一個變量時,爲提高存取速度,編譯器優化時有時會先把變量讀取到一個寄存器中;以後,再取變量值時,就直接從寄存器中取值;當變量值在本 線程裏改變時,會同時把變量的新值copy到該寄存器中,以便保持一致;當變量在因別的線程等而改變了值,該寄存器的值不會相應改變,從而造成應用程序讀 取的值和實際的變量值不一致;當該寄存器在因別的線程等而改變了值,原變量的值不會改變,從而造成應用程序讀取的值和實際的變量值不一致。

舉一個不太準確的例子:
發薪資時,會計每次都把員工叫來登記他們的銀行卡號,一次會計爲了省事,沒有即時登記,用了以前登記的銀行卡號,剛好一個員工的銀行卡丟了,已掛失該銀行卡號,從而造成該員工領不到工資。

員工 -- 原始變量地址
銀行卡號 -- 原始變量在寄存器的備份


2、在什麼情況下會出現

1) 並行設備的硬件寄存器(如:狀態寄存器)
2) 一箇中斷服務子程序中會訪問到的非自動變量(Non-automatic variables)
3) 多線程應用中被幾個任務共享的變量


補充:volatile應該解釋爲“直接存取原始內存地址”比較合適,“易變的”這種解釋簡直有點誤導人;
“易變”是因爲外在因素引起的,象多線程,中斷等,並不是因爲用volatile修飾了的變量就是“易變”了,假如沒有外因,即使用volatile定義,它也不會變化;
而用volatile定義之後,其實這個變量就不會因外因而變化了,可以放心使用了;大家看看前面那種解釋(易變的)是不是在誤導人。


------------簡明示例如下------------------

volatile關鍵字是一種類型修飾符,用它聲明的類型變量表示可以被某些編譯器未知的因素更改,比如:操作系統、硬件或者其它線程等。遇到這個關鍵字聲明的變量,編譯器對訪問該變量的代碼就不再進行優化,從而可以提供對特殊地址的穩定訪問。
使用該關鍵字的例子如下:
int volatile nVint;
>>>>當要求使用volatile 聲明的變量的值的時候,系統總是重新從它所在的內存讀取數據,即使它前面的指令剛剛從該處讀取過數據。而且讀取的數據立刻被保存。
例如:
volatile int i=10;
int a = i;
...
//其他代碼,並未明確告訴編譯器對i進行過操作
int b = i;
>>>>volatile 指出i是隨時可能發生變化的,每次使用它的時候必須從i的地址中讀取,因而編譯器生成的彙編代碼會重新從i的地址讀取數據放在b中。而優化做法是,由於編 譯器發現兩次從i讀數據的代碼之間的代碼沒有對i進行過操作,它會自動把上次讀的數據放在b中。而不是重新從i裏面讀。這樣以來,如果i是一個寄存器變量 或者表示一個端口數據就容易出錯,所以說volatile可以保證對特殊地址的穩定訪問。
>>>>注意,在vc6中,一般調試模式沒有進行代碼優化,所以這個關鍵字的作用看不出來。下面通過插入彙編代碼,測試有無volatile關鍵字,對程序最終代碼的影響:
>>>>首先,用classwizard建一個win32 console工程,插入一個voltest.cpp文件,輸入下面的代碼:
>>
#include <stdio.h>
void main()
{
int i=10;
int a = i;
printf("i= %d",a);
//下面彙編語句的作用就是改變內存中i的值,但是又不讓編譯器知道
__asm {
mov dword ptr [ebp-4], 20h
}
int b = i;
printf("i= %d",b);
}
然後,在調試版本模式運行程序,輸出結果如下:
i = 10
i = 32
然後,在release版本模式運行程序,輸出結果如下:
i = 10
i = 10
輸出的結果明顯表明,release模式下,編譯器對代碼進行了優化,第二次沒有輸出正確的i值。下面,我們把 i的聲明加上volatile關鍵字,看看有什麼變化:
#include <stdio.h>
void main()
{
volatile int i=10;
int a = i;
printf("i= %d",a);
__asm {
mov dword ptr [ebp-4], 20h
}
int b = i;
printf("i= %d",b);
}
分別在調試版本和release版本運行程序,輸出都是:
i = 10
i = 32
這說明這個關鍵字發揮了它的作用!

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volatile 對應的變量可能在你的程序本身不知道的情況下發生改變,比如多線程的程序,共同訪問的內存當中,多個程序都可以操縱這個變量,你自己的程序,是無法判定這 個變量會發生變化;還比如,他和一個外部設備的某個狀態對應,當外部設備發生操作的時候,通過驅動程序和中斷事件,系統改變了這個變量的數值,而你的程序 並不知道。
對於volatile類型的變量,系統每次用到他的時候都是直接從對應的內存當中提取,而不會利用cache當中的原有數值,以適應它的未知何時會發生的變化,系統對這種變量的處理不會做優化——顯然也是因爲它的數值隨時都可能變化的情況。

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典型的例子:
for ( int i=0; i<100000; i++);
這個語句用來測試空循環的速度的
但是編譯器肯定要把它優化掉,根本就不執行
如果你寫成:
for ( volatile int i=0; i<100000; i++);
它就會執行了

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