C語(yǔ)言類型修飾符Volatile的使用說(shuō)明

C語(yǔ)言是我們經(jīng)常需要用到的語(yǔ)言，C語(yǔ)言中的類型修飾符Volatile大家知道怎么使用嗎？

volatile是一個(gè)類型修飾符（type specifier）.volatile的作用是作為指令關(guān)鍵字，確保本條指令不會(huì)因編譯器的優(yōu)化而省略，且要求每次直接讀值。volatile的變量是說(shuō)這變量可能會(huì)被意想不到地改變，這樣，編譯器就不會(huì)去假設(shè)這個(gè)變量的值了。

一般說(shuō)來(lái)，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(cè)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(chǔ)器映射的硬件寄存器通常也要加volatile說(shuō)明，因?yàn)槊看螌?duì)它的讀寫都可能有不同意義；

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(guò)關(guān)中斷來(lái)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。

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(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)。

volatile區(qū)分C程序員和嵌入式系統(tǒng)程序員的最基本的問(wèn)題。搞嵌入式的家伙們經(jīng)常同硬件、中斷、RTOS等等打交道，所有這些都要求用到volatile變量。不懂得volatile的內(nèi)容將會(huì)帶來(lái)災(zāi)難。 int volatile nVint; 當(dāng)要求使用volatile 聲明的變量的值時(shí)，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)。而且讀取的數(shù)據(jù)立刻被保存。 由于訪問(wèn)寄存器的速度要快過(guò)RAM，所以編譯器一般都會(huì)作減少存取外部RAM的優(yōu)化，對(duì)于變量， 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(méi)有對(duì)i進(jìn)行過(guò)操作，它會(huì)自動(dòng)把上次讀的數(shù)據(jù)放在b中。而不是重新從i里面讀取。

這樣以來(lái)，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(cuò)，所以說(shuō)volatile可以保證對(duì)特殊地址的穩(wěn)定訪問(wèn)。

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。

?;存儲(chǔ)器映射的硬件寄存器通常也要加volatile說(shuō)明，因?yàn)槊看螌?duì)它的讀寫都可能由不同意義，如并行設(shè)備的硬件寄存器（如：狀態(tài)寄存器），

?;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，如一個(gè)中斷服務(wù)子程序中會(huì)訪問(wèn)到的非自動(dòng)變量（Non-automatic variables），

?;多任務(wù)環(huán)境下各任務(wù)間共享的數(shù)據(jù)，如多線程應(yīng)用中被幾個(gè)任務(wù)共享的變量。

Volatile例子

簡(jiǎn)單地說(shuō)就是防止編譯器對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化。比如如下程序：

XBYTE［2］=0x55;

XBYTE［2］=0x56;

XBYTE［2］=0x57;

XBYTE［2］=0x58;

對(duì)外部硬件而言，上述四條語(yǔ)句分別表示不同的操作，會(huì)產(chǎn)生四種不同的動(dòng)作，但是編譯器卻會(huì)對(duì)上述四條語(yǔ)句進(jìn)行優(yōu)化，認(rèn)為只有XBYTE［2］=0x58（即忽略前三條語(yǔ)句，只產(chǎn)生一條機(jī)器代碼）。如果鍵入volatile，則編譯器會(huì)逐一地進(jìn)行編譯并產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)器代碼（產(chǎn)生四條代碼）。

精確地說(shuō)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(huì)訪問(wèn)到的非自動(dòng)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(wèn)題：嵌入式系統(tǒng)程序員經(jīng)常同硬件、中斷、RTOS等等打交道，所有這些都要求使用volatile變量。不懂得volatile內(nèi)容將會(huì)帶來(lái)災(zāi)難。假設(shè)被面試者正確地回答了這個(gè)問(wèn)題（嗯，懷疑是否會(huì)是這樣），我將稍微深究一下，看一下這家伙是不是真正懂得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)被用來(lái)計(jì)算某個(gè)整數(shù)的平方，它能實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)嗎？如果不能，試回答存在什么問(wèn)題：

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(jiàn)。一個(gè)例子是當(dāng)一個(gè)中斷服務(wù)子程序修改一個(gè)指向一個(gè)buffer的指針時(shí)。3）這段代碼是個(gè)惡作劇。這段代碼的目的是用來(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)生類似下面的代碼：

int square（volatile int* &ptr）//這里參數(shù)應(yīng)該申明為引用，不然函數(shù)體里只會(huì)使用副本，外部沒(méi)法更改

{

int a，b;

a = *ptr;

b = *ptr;

return a*b;

}

由于*ptr的值可能在兩次取值語(yǔ)句之間發(fā)生改變，因此a和b可能是不同的。結(jié)果，這段代碼可能返回的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;

}

講講個(gè)人理解：關(guān)鍵在于兩個(gè)地方：⒈編譯器的優(yōu)化（請(qǐng)高手幫我看看下面的理解）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)際的變量值不一致舉一個(gè)不太準(zhǔn)確的例子：發(fā)薪資時(shí)，會(huì)計(jì)每次都把員工叫來(lái)登記他們的銀行卡號(hào)；一次會(huì)計(jì)為了省事，沒(méi)有即時(shí)登記，用了以前登記的銀行卡號(hào)；剛好一個(gè)員工的銀行卡丟了，已掛失該銀行卡號(hào)；從而造成該員工領(lǐng)不到工資員工 －－ 原始變量地址銀行卡號(hào) －－ 原始變量在寄存器的備份⒉ 在什么情況下會(huì)出現(xiàn)1）并行設(shè)備的硬件寄存器2）一個(gè)中斷服務(wù)子程序中會(huì)訪問(wèn)到的非自動(dòng)變量（Non-automatic variables）3）多線程應(yīng)用中被幾個(gè)任務(wù)共享的變量補(bǔ)充：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；“易變”是因?yàn)橥庠谝蛩匾鸬?，像多線程，中斷等，并不是因?yàn)橛胿olatile修飾了的變量就是“易變”了，假如沒(méi)有外因，即使用volatile定義，它也不會(huì)變化；而用volatile定義之后，其實(shí)這個(gè)變量就不會(huì)因外因而變化了，可以放心使用了； 大家看看前面那種解釋（易變的）是不是在誤導(dǎo)人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(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)。使用該關(guān)鍵字的例子如下：

volatile int vint;

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(guò)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(duì)i進(jìn)行過(guò)操作

1int 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(huì)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(méi)有對(duì)i進(jìn)行過(guò)操作，它會(huì)自動(dòng)把上次讀的數(shù)據(jù)放在b中。而不是重新從i里面讀。這樣一來(lái)，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(cuò)，所以說(shuō)volatile可以保證對(duì)特殊地址的穩(wěn)定訪問(wèn)。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(lái)。下面通過(guò)插入?yún)R編代碼，測(cè)試有無(wú)volatile關(guān)鍵字，對(duì)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：

#include《stdio.h》

void main（int argc，char *argv［］）

{

int i = 10;

int a = i;

printf（“i=%d”，a）;

//下面匯編語(yǔ)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”，b）;

}

然后，在調(diào)試版本模式運(yùn)行程序，輸出結(jié)果如下：i = 10i = 32然后，在release版本模式運(yùn)行程序，輸出結(jié)果如下：i = 10i = 10輸出的結(jié)果明顯表明，release模式下，編譯器對(duì)代碼進(jìn)行了優(yōu)化，第二次沒(méi)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：

#include《stdio.h》

void main（int argc，char *argv［］）

{

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）;

}

分別在調(diào)試版本和release版本運(yùn)行程序，輸出都是：i = 10

i = 32這說(shuō)明這個(gè)關(guān)鍵字發(fā)揮了它的作用！

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volatile對(duì)應(yīng)的變量可能在你的程序本身不知道的情況下發(fā)生改變比如多線程的程序，共同訪問(wèn)的內(nèi)存當(dāng)中，多個(gè)程序都可以操縱這個(gè)變量你自己的程序，是無(wú)法判定何時(shí)這個(gè)變量會(huì)發(fā)生變化還比如，他和一個(gè)外部設(shè)備的某個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)，當(dāng)外部設(shè)備發(fā)生操作的時(shí)候，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序和中斷事件，系統(tǒng)改變了這個(gè)變量的數(shù)值，而你的程序并不知道。對(duì)于volatile類型的變量，系統(tǒng)每次用到他的時(shí)候都是直接從對(duì)應(yīng)的內(nèi)存當(dāng)中提取，而不會(huì)利用cache當(dāng)中的原有數(shù)值，以適應(yīng)它的未知何時(shí)會(huì)發(fā)生的變化，系統(tǒng)對(duì)這種變量的處理不會(huì)做優(yōu)化——顯然也是因?yàn)樗臄?shù)值隨時(shí)都可能變化的情況。

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典型的例子

for（int i=0; i《100000; i++）;

這個(gè)語(yǔ)句用來(lái)測(cè)試空循環(huán)的速度的但是編譯器肯定要把它優(yōu)化掉，根本就不執(zhí)行如果你寫成

for（volatile int i=0; i《100000; i++）;

它就會(huì)執(zhí)行了volatile的本意是“易變的”由于訪問(wèn)寄存器的速度要快過(guò)RAM，所以編譯器一般都會(huì)作減少存取外部RAM的優(yōu)化。比如：

static int i = 0;

int main（void）

{

//。。。

while（1）

{

if（i）

dosomething（）;

}

}

/*Interruptserviceroutine.*/

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(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。