探討C語言中關(guān)鍵字volatile的含義

2020-01-26 16:05:31

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供稿：網(wǎng)友

volatile 的意思是“易失的，易改變的”。這個(gè)限定詞的含義是向編譯器指明變量的內(nèi)容可能會由于其他程序的修改而變化。通常在程序中申明了一個(gè)變量時(shí)，編譯器會盡量把它存放在通用寄存器中，例如ebx。當(dāng)CPU把其值放到ebx中后就不會再關(guān)心對應(yīng)內(nèi)存中的值。若此時(shí)其他程序（例如內(nèi)核程序或一個(gè)中斷）修改了內(nèi)存中它的值，ebx中的值并不會隨之更新。為了解決這種情況就創(chuàng)建了volatile限定詞，讓代碼在引用該變量時(shí)一定要從指定位置取得其值。

關(guān)鍵字volatile有什么含意?并給出三個(gè)不同的例子。一個(gè)定義為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(shè)這個(gè)變量的值了。精確地說就是，優(yōu)化器在用到這個(gè)變量時(shí)必須每次都小心地重新讀取這個(gè)變量的值，而不是使用保存在寄存器里的備份。下面是volatile變量的幾個(gè)例子：
1). 并行設(shè)備的硬件寄存器（如：狀態(tài)寄存器）
2). 一個(gè)中斷服務(wù)子程序中會訪問到的非自動變量(Non-automatic variables)
3). 多線程應(yīng)用中被幾個(gè)任務(wù)共享的變量
回答不出這個(gè)問題的人是不會被雇傭的。我認(rèn)為這是區(qū)分C程序員和嵌入式系統(tǒng)程序員的最基本的問題。嵌入式系統(tǒng)程序員經(jīng)常同硬件、中斷、RTOS等等打交道，所用這些都要求volatile變量。不懂得volatile內(nèi)容將會帶來災(zāi)難。
假設(shè)被面試者正確地回答了這是問題（嗯，懷疑這否會是這樣），我將稍微深究一下，看一下這家伙是不是直正懂得volatile完全的重要性。
1). 一個(gè)參數(shù)既可以是const還可以是volatile嗎？解釋為什么。
2). 一個(gè)指針可以是volatile 嗎？解釋為什么。
3). 下面的函數(shù)有什么錯誤：
int square(volatile int *ptr)
{return *ptr * *ptr;}
下面是答案：
1). 是的。一個(gè)例子是只讀的狀態(tài)寄存器。它是volatile因?yàn)樗赡鼙灰庀氩坏降馗淖?。它是const因?yàn)槌绦虿粦?yīng)該試圖去修改它。
2). 是的。盡管這并不很常見。一個(gè)例子是當(dāng)一個(gè)中服務(wù)子程序修該一個(gè)指向一個(gè)buffer的指針時(shí)。
3). 這段代碼的有個(gè)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，由于*ptr指向一個(gè)volatile型參數(shù)，編譯器將產(chǎn)生類似下面的代碼：

復(fù)制代碼代碼如下:

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該變，因此a和b可能是不同的。結(jié)果，這段代碼可能返不是你所期望的平方值！正確的代碼如下：

復(fù)制代碼代碼如下:

long square(volatile int *ptr) 
{
int a;
a = *ptr;
return a * a; }

volatile的本意是“易變的”
由于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(yōu)化。比如：

復(fù)制代碼代碼如下:

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(chǎn)生時(shí)，在main當(dāng)中調(diào)用dosomething函數(shù)，但是，由于編譯器判斷在main函數(shù)里面沒有修改過i，因此
可能只執(zhí)行一次對從i到某寄存器的讀操作，然后每次if判斷都只使用這個(gè)寄存器里面的“i副本”，導(dǎo)致dosomething永遠(yuǎn)也不會被調(diào)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(yōu)化（肯定執(zhí)行）。此例中i也應(yīng)該如此說明。
一般說來，volatile用在如下的幾個(gè)地方：
1、中斷服務(wù)程序中修改的供其它程序檢測的變量需要加volatile；
2、多任務(wù)環(huán)境下各任務(wù)間共享的標(biāo)志應(yīng)該加volatile；
3、存儲器映射的硬件寄存器通常也要加volatile說明，因?yàn)槊看螌λ淖x寫都可能由不同意義；
另外，以上這幾種情況經(jīng)常還要同時(shí)考慮數(shù)據(jù)的完整性（相互關(guān)聯(lián)的幾個(gè)標(biāo)志讀了一半被打斷了重寫），在1中可以通過關(guān)中斷來實(shí)
現(xiàn)，2中可以禁止任務(wù)調(diào)度，3中則只能依靠硬件的良好設(shè)計(jì)了。
//=============
指針類型也是一種變量,所以也是可以用volatile來修飾的.
volatile關(guān)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(tǒng)、硬件或者其它線程等。遇到這個(gè)關(guān)鍵字聲明的變量，編譯器對訪問該變量的代碼就不再進(jìn)行
優(yōu)化，從而可以提供對特殊地址的穩(wěn)定訪問。
使用該關(guān)鍵字的例子如下：
int   volatile   nVint;
當(dāng)要求使用volatile   聲明的變量的值的時(shí)候，系統(tǒng)總是重新從它所在的內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，即使它前面的指
令剛剛從該處讀取過數(shù)據(jù)。而且讀取的數(shù)據(jù)立刻被保存。
例如：
volatile   int   i=10;
int   a   =   i;
。。。//其他代碼，并未明確告訴編譯器，對i進(jìn)行過操作
int   b   =   i;
volatile   指出   i是隨時(shí)可能發(fā)生變化的，每次使用它的時(shí)候必須從i的地址中讀取，因而編譯器生成的
匯編代碼會重新從i的地址讀取數(shù)據(jù)放在b中。而優(yōu)化做法是，由于編譯器發(fā)現(xiàn)兩次從i讀數(shù)據(jù)的代碼之間
的代碼沒有對i進(jìn)行過操作，它會自動把上次讀的數(shù)據(jù)放在b中。而不是重新從i里面讀。這樣以來，如果
i是一個(gè)寄存器變量或者表示一個(gè)端口數(shù)據(jù)就容易出錯，所以說volatile可以保證對特殊地址的穩(wěn)定訪問。
注意，在vc6中，一般調(diào)試模式?jīng)]有進(jìn)行代碼優(yōu)化，所以這個(gè)關(guān)鍵字的作用看不出來。下面通過插入?yún)R編
代碼，測試有無volatile關(guān)鍵字，對程序最終代碼的影響：
首先用classwizard建一個(gè)win32   console工程，插入一個(gè)voltest.cpp文件，輸入下面的代碼：

復(fù)制代碼代碼如下:

#include   <stdio.h> 
void   main() 
{ 
  int   i=10; 
  int   a   =   i; 
  printf( "i=   %d/n ",a); 
                //下面匯編語句的作用就是改變內(nèi)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/n ",b); 
} 

然后，在調(diào)試版本模式運(yùn)行程序，輸出結(jié)果如下：

復(fù)制代碼代碼如下:

i   =   10 
i   =   32 

然后，在release版本模式運(yùn)行程序，輸出結(jié)果如下：

復(fù)制代碼代碼如下:

i   =   10 
i   =   10 

輸出的結(jié)果明顯表明，release模式下，編譯器對代碼進(jìn)行了優(yōu)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(guān)鍵字，看看有什么變化：

復(fù)制代碼代碼如下:

#include   <stdio.h> 
void   main() 
{ 
  volatile   int   i=10; 
  int   a   =   i; 
  printf( "i=   %d/n ",a); 
  __asm   { 
    mov                   dword   ptr   [ebp-4],   20h 
  } 
  int   b   =   i; 
  printf( "i=   %d/n ",b); 
} 

分別在調(diào)試版本和release版本運(yùn)行程序，輸出都是：

復(fù)制代碼代碼如下: