volatile修饰符

时间：2014-07-19 20:10:35 阅读：347 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

就像大家更熟悉的const一样，volatile是一个类型修饰符（type specifier）。它是被设计用来修饰被不同线程访问和修改的变量。如果没有volatile，基本上会导致这样的结果：要么无法编写多线程程序，要么编译器失去大量优化的机会。

1，作用

volatile的作用：作为指令关键字，确保本条指令不会因编译器的优化而省略，且要求每次直接读值.

简单地说就是防止编译器对代码进行优化.比如如下程序：

1 XBYTE[2]=0x56;
2 XBYTE[2]=0x57;
3 XBYTE[2]=0x58;

对外部硬件而言，上述四条语句分别表示不同的操作，会产生四种不同的动作，但是编译器却会对上述四条语句进行优化，认为只有XBYTE[2]=0x58（即忽略前三条语句，只产生一条机器代码）。如果键入volatile，则编译器会逐一的进行编译并产生相应的机器代码（产生四条代码）.

2，几个例子

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

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，所有这些都要求使用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，怀疑是否会是这样），我将稍微深究一下，看一下这家伙是不是真正懂得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）. 下面的函数被用来计算某个整数的平方，它能实现预期设计目标吗？如果不能，试回答存在什么问题：

intsquare(volatileint*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断服务子程序修改一个指向一个buffer的指针时。
3）. 这段代码是个恶作剧。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：
intsquare(volatileint*ptr)
{
inta,b;
a=*ptr;
b=*ptr;
returna*b;
}
由于*ptr的值可能在两次取值语句之间发生改变，因此a和b可能是不同的。结果，这段代码可能返回的不是你所期望的平方值！正确的代码如下：
longsquare(volatileint*ptr)
{
inta;
a=*ptr;
returna*a;
}
 
讲讲个人理解：
关键在于两个地方：
⒈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
⒉ 在什么情况下会出现
1）. 并行设备的硬件寄存器
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，像多线程，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
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：




volatileintvint;



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：




volatileinti=10;
inta=i;
//...



//其他代码，并未明确告诉编译器，对i进行过操作




intb=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。这样一来，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：




#include<stdio.h>
voidmain(intargc,char*argv[])
{
inti=10;
inta=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
{
movdwordptr[ebp-4],20h
}
intb=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：




#include<stdio.h>
voidmain(intargc,char*argv[])
{
volatileinti=10;
inta=i;
printf("i=%d",a);
__asm
{
movdwordptr[ebp-4],20h
}
intb=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，是无法判定何时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。
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典型的例子




for(inti=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(volatileinti=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：




staticinti=0;
intmain(void)
{
//...
while(1)
{
if(i)dosomething();
}
}
/*Interruptserviceroutine.*/
voidISR_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。
3，使用的地方
 
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有不同意义；
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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