volatile详解

比眉伴天荒 2024-04-19 13:58 60阅读 0赞

一个定义为volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变，这样，编译器就不会去假设这个变量的值了。精确地说就是，优化器在用到这个变量时必须每次都小心地重新读取这个变量的值，而不是使用保存在寄存器里的备份。下面是volatile变量的几个例子：   
    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   
    回答不出这个问题的人是不会被雇佣的。我认为这是区分C程序员和嵌入式系统程序员的最基本的问题。嵌入式系统程序员经常同硬件、中断、RTOS等等打交道，所用这些都要求volatile变量。不懂得volatile内容将会带来灾难。   
    假设被面试者正确地回答了这是问题（嗯，怀疑这否会是这样），我将稍微深究一下，看一下这家伙是不是直正懂得volatile完全的重要性。   
    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。   
    3). 这段代码的有个恶作剧。这段代码的目的是用来返指针\*ptr指向值的平方，但是，由于\*ptr指向一个volatile型参数，编译器将产生类似下面的代码：   
    int square(volatile int \*ptr)    
    \{   
         int a,b;   
         a = \*ptr;   
         b = \*ptr;   
         return a \* b;   
     \}   
    由于\*ptr的值可能被意想不到地该变，因此a和b可能是不同的。结果，这段代码可能返不是你所期望的平方值！正确的代码如下：   
     long square(volatile int \*ptr)    
     \{   
            int a;   
            a = \*ptr;   
            return a \* a;   
     \}

讲讲我的理解： （欢迎打板子...~~！）   
  
关键在于两个地方：        
    
1. 编译器的优化  (请高手帮我看看下面的理解)   
  
在本次线程内, 当读取一个变量时，为提高存取速度，编译器优化时有时会先把变量读取到一个寄存器中；以后，再取变量值时，就直接从寄存器中取值；   
  
当变量值在本线程里改变时，会同时把变量的新值copy到该寄存器中，以便保持一致   
  
当变量在因别的线程等而改变了值，该寄存器的值不会相应改变，从而造成应用程序读取的值和实际的变量值不一致   
  
当该寄存器在因别的线程等而改变了值，原变量的值不会改变，从而造成应用程序读取的值和实际的变量值不一致    
  
  
举一个不太准确的例子：    
  
发薪资时，会计每次都把员工叫来登记他们的银行卡号；一次会计为了省事，没有即时登记，用了以前登记的银行卡号；刚好一个员工的银行卡丢了，已挂失该银行卡号；从而造成该员工领不到工资    
  
员工 －－ 原始变量地址    
银行卡号 －－ 原始变量在寄存器的备份    
  
  
2. 在什么情况下会出现(如1楼所说)   
  
    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    
       
  
补充： volatile应该解释为“直接存取原始内存地址”比较合适，“易变的”这种解释简直有点误导人；    
  
“易变”是因为外在因素引起的，象多线程，中断等，并不是因为用volatile修饰了的变量就是“易变”了，假如没有外因，即使用volatile定义，它也不会变化；   
  
而用volatile定义之后，其实这个变量就不会因外因而变化了，可以放心使用了； 大家看看前面那种解释（易变的）是不是在误导人   
  
  
－－－－－－－－－－－－简明示例如下：－－－－－－－－－－－－－－－－－－   
  
volatile关键字是一种类型修饰符，用它声明的类型变量表示可以被某些编译器未知的因素更改，比如：操作系统、硬件或者其它线程等。遇到这个关键字声明的变量，编译器对访问该变量的代码就不再进行优化，从而可以提供对特殊地址的稳定访问。   
使用该关键字的例子如下：   
int volatile nVint;   
>>>>当要求使用volatile 声明的变量的值的时候，系统总是重新从它所在的内存读取数据，即使它前面的指令刚刚从该处读取过数据。而且读取的数据立刻被保存。   
例如：   
volatile int i=10;   
int a = i;   
...   
//其他代码，并未明确告诉编译器，对i进行过操作   
int b = i;   
>>>>volatile 指 出 i是随时可能发生变化的，每次使用它的时候必须从i的地址中读取，因而编译器生成的汇编代码会重新从i的地址读取数据放在b中。而优化做法是，由于编 译器发现两次从i读数据的代码之间的代码没有对i进行过操作，它会自动把上次读的数据放在b中。而不是重新从i里面读。这样以来，如果i是一个寄存器变量 或者表示一个端口数据就容易出错，所以说volatile可以保证对特殊地址的稳定访问。   
>>>>注意，在vc6中，一般调试模式没有进行代码优化，所以这个关键字的作用看不出来。下面通过插入汇编代码，测试有无volatile关键字，对程序最终代码的影响：   
>>>>首先，用classwizard建一个win32 console工程，插入一个voltest.cpp文件，输入下面的代码：   
>>   
＃i nclude <stdio.h>   
void main()   
\{   
int i=10;   
int a = i;   
printf("i= %d",a);   
//下面汇编语句的作用就是改变内存中i的值，但是又不让编译器知道   
\_\_asm \{   
mov dword ptr \[ebp-4\], 20h   
\}   
int b = i;   
printf("i= %d",b);   
\}         
然后，在调试版本模式运行程序，输出结果如下：   
i = 10   
i = 32   
然后，在release版本模式运行程序，输出结果如下：   
i = 10   
i = 10   
输出的结果明显表明，release模式下，编译器对代码进行了优化，第二次没有输出正确的i值。下面，我们把 i的声明加上volatile关键字，看看有什么变化：   
＃i nclude <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);   
\}         
分别在调试版本和release版本运行程序，输出都是：   
i = 10   
i = 32   
这说明这个关键字发挥了它的作用！   
  
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－   
  
  
volatile对应的变量可能在你的程序本身不知道的情况下发生改变   
比如多线程的程序，共同访问的内存当中，多个程序都可以操纵这个变量   
你自己的程序，是无法判定合适这个变量会发生变化   
还比如，他和一个外部设备的某个状态对应，当外部设备发生操作的时候，通过驱动程序和中断事件，系统改变了这个变量的数值，而你的程序并不知道。   
对于volatile类型的变量，系统每次用到他的时候都是直接从对应的内存当中提取，而不会利用cache当中的原有数值，以适应它的未知何时会发生的变化，系统对这种变量的处理不会做优化——显然也是因为它的数值随时都可能变化的情况。   
  
\--------------------------------------------------------------------------------   
  
典型的例子   
for ( int i=0; i<100000; i++);   
这个语句用来测试空循环的速度的   
但是编译器肯定要把它优化掉，根本就不执行   
如果你写成    
for ( volatile int i=0; i<100000; i++);   
它就会执行了   
  
volatile的本意是“易变的”    
由于访问寄存器的速度要快过RAM，所以编译器一般都会作减少存取外部RAM的优化。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中断产生时，在main当中调用dosomething函数，但是，由于编译器判断在main函数里面没有修改过i，因此   
可能只执行一次对从i到某寄存器的读操作，然后每次if判断都只使用这个寄存器里面的“i副本”，导致dosomething永远也不会被   
调用。如果将将变量加上volatile修饰，则编译器保证对此变量的读写操作都不会被优化（肯定执行）。此例中i也应该如此说明。   
  
一般说来，volatile用在如下的几个地方：   
  
1、中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量需要加volatile；   
  
2、多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile；   
  
3、存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile说明，因为每次对它的读写都可能由不同意义；   
  
另外，以上这几种情况经常还要同时考虑数据的完整性（相互关联的几个标志读了一半被打断了重写），在1中可以通过关中断来实   
现，2中可以禁止任务调度，3中则只能依靠硬件的良好设计了。

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