C語(yǔ)言中volatile關(guān)鍵字怎么用

這篇文章主要介紹了C語(yǔ)言中volatile關(guān)鍵字怎么用，具有一定借鑒價(jià)值，感興趣的朋友可以參考下，希望大家閱讀完這篇文章之后大有收獲，下面讓小編帶著大家一起了解一下。

一.前言

1.編譯器優(yōu)化介紹：

由于內(nèi)存訪問(wèn)速度遠(yuǎn)不及CPU處理速度，為提高機(jī)器整體性能，在硬件上引入硬件高速緩存Cache，加速對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)。另外在現(xiàn)代CPU中指令的執(zhí)行并不一定嚴(yán)格按照順序執(zhí)行，沒(méi)有相關(guān)性的指令可以亂序執(zhí)行，以充分利用CPU的指令流水線，提高執(zhí)行速度。以上是硬件級(jí)別的優(yōu)化。再看軟件一級(jí)的優(yōu)化：一種是在編寫(xiě)代碼時(shí)由程序員優(yōu)化，另一種是由編譯器進(jìn)行優(yōu)化。編譯器優(yōu)化常用的方法有：將內(nèi)存變量緩存到寄存器；調(diào)整指令順序充分利用CPU指令流水線，常見(jiàn)的是重新排序讀寫(xiě)指令。對(duì)常規(guī)內(nèi)存進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候，這些優(yōu)化是透明的，而且效率很好。由編譯器優(yōu)化或者硬件重新排序引起的問(wèn)題的解決辦法是在從硬件（或者其他處理器）的角度看必須以特定順序執(zhí)行的操作之間設(shè)置內(nèi)存屏障（memory barrier），linux 提供了一個(gè)宏解決編譯器的執(zhí)行順序問(wèn)題。

void Barrier(void)

這個(gè)函數(shù)通知編譯器插入一個(gè)內(nèi)存屏障，但對(duì)硬件無(wú)效，編譯后的代碼會(huì)把當(dāng)前CPU寄存器中的所有修改過(guò)的數(shù)值存入內(nèi)存，需要這些數(shù)據(jù)的時(shí)候再重新從內(nèi)存中讀出。

2.volatile總是與優(yōu)化有關(guān)，編譯器有一種技術(shù)叫做數(shù)據(jù)流分析，分析程序中的變量在哪里賦值、在哪里使用、在哪里失效，分析結(jié)果可以用于常量合并，常量傳播等優(yōu)化，進(jìn)一步可以消除一些代碼。但有時(shí)這些優(yōu)化不是程序所需要的，這時(shí)可以用volatile關(guān)鍵字禁止做這些優(yōu)化。

二.volatile詳解：

1.volatile的本意是“易變的” 因?yàn)樵L問(wèn)寄存器要比訪問(wèn)內(nèi)存單元快的多,所以編譯器一般都會(huì)作減少存取內(nèi)存的優(yōu)化，但有可能會(huì)讀臟數(shù)據(jù)。當(dāng)要求使用volatile聲明變量值的時(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(guò)數(shù)據(jù)。精確地說(shuō)就是，遇到這個(gè)關(guān)鍵字聲明的變量，編譯器對(duì)訪問(wèn)該變量的代碼就不再進(jìn)行優(yōu)化，從而可以提供對(duì)特殊地址的穩(wěn)定訪問(wèn)；如果不使用valatile，則編譯器將對(duì)所聲明的語(yǔ)句進(jìn)行優(yōu)化。（簡(jiǎn)潔的說(shuō)就是：volatile關(guān)鍵詞影響編譯器編譯的結(jié)果，用volatile聲明的變量表示該變量隨時(shí)可能發(fā)生變化，與該變量有關(guān)的運(yùn)算，不要進(jìn)行編譯優(yōu)化，以免出錯(cuò)）

2.看兩個(gè)事例：

1>告訴compiler不能做任何優(yōu)化

比如要往某一地址送兩指令：
int *ip =...; //設(shè)備地址
*ip = 1; //第一個(gè)指令
*ip = 2; //第二個(gè)指令
以上程序compiler可能做優(yōu)化而成：
int *ip = ...;
*ip = 2;
結(jié)果第一個(gè)指令丟失。如果用volatile, compiler就不允許做任何的優(yōu)化，從而保證程序的原意：
volatile int *ip = ...;
*ip = 1;
*ip = 2;
即使你要compiler做優(yōu)化，它也不會(huì)把兩次付值語(yǔ)句間化為一。它只能做其它的優(yōu)化。

2>用volatile定義的變量會(huì)在程序外被改變,每次都必須從內(nèi)存中讀取，而不能重復(fù)使用放在cache或寄存器中的備份。

例如：

volatile char a;
a=0;
while(!a){
//do some things;
}
doother();

如果沒(méi)有 volatiledoother()不會(huì)被執(zhí)行

3.下面是使用volatile變量的幾個(gè)場(chǎng)景：

1>中斷服務(wù)程序中修改的供其它程序檢測(cè)的變量需要加volatile；

例如:

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(chǎn)生時(shí)，在main函數(shù)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(méi)有修改過(guò)i，因此可能只執(zhí)行一次對(duì)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(huì)被調(diào)用。如果將變量加上volatile修飾，則編譯器保證對(duì)此變量的讀寫(xiě)操作都不會(huì)被優(yōu)化（肯定執(zhí)行）。此例中i也應(yīng)該如此說(shuō)明。

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(chǔ)器映射的硬件寄存器通常也要加voliate，因?yàn)槊看螌?duì)它的讀寫(xiě)都可能有不同意義。

例如：

假設(shè)要對(duì)一個(gè)設(shè)備進(jìn)行初始化，此設(shè)備的某一個(gè)寄存器為0xff800000。

int  *output = (unsigned  int *)0xff800000;//定義一個(gè)IO端口；
int   init(void)
{
      int i;
      for(i=0;i< 10;i++){
         *output = i;
      }
}

經(jīng)過(guò)編譯器優(yōu)化后，編譯器認(rèn)為前面循環(huán)半天都是廢話，對(duì)最后的結(jié)果毫無(wú)影響，因?yàn)樽罱K只是將output這個(gè)指針賦值為9，所以編譯器最后給你編譯編譯的代碼結(jié)果相當(dāng)于：

int  init(void)
{
      *output = 9;
}

如果你對(duì)此外部設(shè)備進(jìn)行初始化的過(guò)程是必須是像上面代碼一樣順序的對(duì)其賦值，顯然優(yōu)化過(guò)程并不能達(dá)到目的。反之如果你不是對(duì)此端口反復(fù)寫(xiě)操作，而是反復(fù)讀操作，其結(jié)果是一樣的，編譯器在優(yōu)化后，也許你的代碼對(duì)此地址的讀操作只做了一次。然而從代碼角度看是沒(méi)有任何問(wèn)題的。這時(shí)候就該使用volatile通知編譯器這個(gè)變量是一個(gè)不穩(wěn)定的，在遇到此變量時(shí)候不要優(yōu)化。

例如：

volatile  int *output=(volatile unsigned int *)0xff800000;//定義一個(gè)I/O端口

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(xiě)），在1中可以通過(guò)關(guān)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，2中禁止任務(wù)調(diào)度，3中則只能依靠硬件的良好設(shè)計(jì)。

4.幾個(gè)問(wèn)題

 1)一個(gè)參數(shù)既可以是const還可以是volatile嗎？

可以的，例如只讀的狀態(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) 一個(gè)指針可以是volatile 嗎？

可以，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)。

5.volatile的本質(zhì)：

1> 編譯器的優(yōu)化

在本次線程內(nèi), 當(dāng)讀取一個(gè)變量時(shí)，為提高存取速度，編譯器優(yōu)化時(shí)有時(shí)會(huì)先把變量讀取到一個(gè)寄存器中；以后，再取變量值時(shí)，就直接從寄存器中取值；當(dāng)變量值在本線程里改變時(shí)，會(huì)同時(shí)把變量的新值copy到該寄存器中，以便保持一致。

當(dāng)變量在因別的線程等而改變了值，該寄存器的值不會(huì)相應(yīng)改變，從而造成應(yīng)用程序讀取的值和實(shí)際的變量值不一致。

當(dāng)該寄存器在因別的線程等而改變了值，原變量的值不會(huì)改變，從而造成應(yīng)用程序讀取的值和實(shí)際的變量值不一致。

2>volatile應(yīng)該解釋為“直接存取原始內(nèi)存地址”比較合適，“易變的”這種解釋簡(jiǎn)直有點(diǎn)誤導(dǎo)人。

6.下面的函數(shù)有什么錯(cuò)誤：

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

該程序的目的是用來(lái)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(lèi)似下面的代碼：

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：

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

注意：頻繁地使用volatile很可能會(huì)增加代碼尺寸和降低性能,因此要合理的使用volatile。

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