C/C++中volatile的用法

女爷i 2022-05-29 06:10 215阅读 0赞

代码编译环境：Windows7 32bits+VS2012。

volatile是“易变的”、“不稳定”的意思。volatile是C/C++的一个较为少用的关键字，它用来解决变量在“共享”环境下容易出现的读取错误的问题。

# 1.volatile的作用 #

定义为volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变，编译器在优化时，用到这个变量每次都从重新从RAM读取这个变量的值，而不是使用保存在寄存器里的备份。

在单任务的环境中，一个函数体内部，如果在两次读取变量的值之间的语句没有对变量的值进行修改，那么编译器就会设法对可执行代码进行优化。由于访问寄存器的速度要快过RAM（从RAM中读取变量的值到寄存器），以后只要变量的值没有改变，就一直从寄存器中读取变量的值，而不对RAM进行访问。

而在多任务环境中，虽然在一个函数体内部，在两次读取变量之间没有对变量的值进行修改，但是该变量仍然有可能被其他的程序（如中断程序、另外的线程等）所修改。如果这厮还是从寄存器而不是从RAM中读取变量的值，就会出现被修改了的不能及时的反应的问题。如下程序对这一现象进行了模拟：

#include <iostream>
    using namespace std;
    int main(int argc,char* argv[])
    {
        int i=10;
        int a=i;
        cout<<a<<endl;
        _asm{
            mov dword ptr [ebp-4],80
        }
        int b=i;
        cout<<b<<endl;
        getchar();
    }

程序在VS2012环境下生成Release版本，输出结果是：

10   
10   
阅读以上程序，注意以下几个要点：   
（1）以上代码必须在release模式下考查，因为只有Release模式下才会对程序代码进行优化，而这种优化在变量共享的环境下容易引发问题。

（2）在语句b=i；之前，已经通过内联汇编代码修改了i的值，但是i的变化却没有反映到b中，如果i是一个被多个任务共享的变量，这种优化带来的错误很可能是致命的。

（3）汇编代码\[ebp-4\]表示变量i的存储单元，因为ebp是扩展基址指针寄存器，存放函数所属栈的栈底地址，先入栈，占用4个字节。随着函数内申明的局部变量的增多，esp（栈顶指针寄存器）就会相应的减小，因为栈的生长方向由高地址向低地址生长。i为第一个变量，占空间已被ebp入栈占用了4个字节，所以i的地址为ebp-i，\[ebp-i\]则表示变量i的存储单元。

那如何抑制编译器对读取变量的这种优化，来防止错误读取呢？

volatile可以轻松胜任，将上面的程序稍作修改，将变量i前申明为volatile即可，观察如下程序：

#include <iostream>
    using namespace std;
    int main(int argc,char* argv[])
    {
        volatile int i=10;
        int a=i;
        cout<<a<<endl;
        _asm{
            mov dword ptr [ebp-4],80
        }
        int b=i;
        cout<<b<<endl;
        getchar();
    }

程序输出结果为：

10   
80   
也就是说，第二次读取变量i的值的时候，已经获得了变化之后的值。跟踪汇编代码可知，凡是申明为volatile的变量，每次都是从内存中读取变量的值，而不是在某些情况下直接从寄存器中取值。

#     #

# 2. volatile变量的应用场合 #

（1）并行设备的硬件寄存器（如：状态寄存器）；   
（2）一个中断服务子程序中会访问到的非自动变量(Non-automatic variables)；   
（3）多线程应用中被几个任务共享的变量。

上面这个问题是区分C/C++程序员和嵌入式系统程序员的最基本的问题。搞嵌入式的家伙们经常同硬件、中断、RTOS等等打交道，所有这些都要求用到volatile变量。不懂得volatile的内容将会带来灾难。

下面的问题可以看一下面试者伙是不是直正懂得volatile的重要性。   
1)一个参数既可以是const还可以是volatile吗？解释为什么。   
2) 一个指针可以是volatile 吗？解释为什么。

3) 下面的函数有什么错误：

int square(volatile int *ptr) 
    { 
    return *ptr * *ptr; 
    }

下面是答案：

1)是的。一个例子是只读的状态寄存器。它是volatile因为它可能被意想不到地改变。它是const因为程序不应该试图去修改它。

2)是的。尽管这并不很常见。一个例子是当一个中服务子程序修该一个指向一个buffer的指针时。