volatile關(guān)鍵字

************************定義*******************************

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)一步可以死代碼消除。但有時這些優(yōu)化不是程序所需要的,，這時可以用volatile關(guān)鍵字禁止做這些優(yōu)化,，volatile的字面含義是易變的，它有下面的作用：

1 不會在兩個操作之間把volatile變量緩存在寄存器中,。在多任務(wù),、中斷、甚至setjmp環(huán)境下,，變量可能被其他的程序改變,，編譯器 自己無法知道,，volatile就是告訴編譯器這種情況。
　　
　　2 不做常量合并,、常量傳播等優(yōu)化，所以像下面的代碼：
　　volatile int i = 1;
　　if (i > 0) ...
　　
　　if的條件不會當(dāng)作無條件真,。 意思i可能被其它程序所改變
　　
　　3 對volatile變量的讀寫不會被優(yōu)化掉,。如果你對一個變量賦值但后面沒用到，編譯器常?？梢允÷阅莻€賦值操作,，然而對Memory Mapped IO的處理是不能這樣優(yōu)化的。

4,、volatile變量能防止優(yōu)化,比如說你在某個地方可能連續(xù)調(diào)用了好幾次這個函數(shù),，于是編譯器優(yōu)化后，可能就調(diào)用一次,，其他幾次就采用這一次調(diào)用的返回值,，而volatile修飾后，要讓每一次都進(jìn)行函數(shù)調(diào)用,， 而不采用暫存值,。

 

　　有人說volatile可以保證對內(nèi)存操作的原子性，這種說法不大準(zhǔn)確,，其一,，x86需要LOCK前綴才能在SMP下保證原子性，其二,，RISC根本不能對內(nèi)存直接運算,，要保證原子性得用別的方法，如atomic_inc,。
　　
　　對于jiffies,，它已經(jīng)聲明為volatile變量，我認(rèn)為直接用jiffies++就可以了,，沒必要用那種復(fù)雜的形式,，因為那樣也不能保證原子性。
　　
　　你可能不知道在Pentium及后續(xù)CPU中,，下面兩組指令
　　
　　inc jiffies
　　;;
　　mov jiffies, %eax
　　inc %eax
　　mov %eax, jiffies
　　
　　作用相同,，但一條指令反而不如三條指令快。

 

 

一般這個修飾符用來告知編譯器,，被修飾的變量是個“易變的”變量(volatile的本意是“易變的”),防止編譯器進(jìn)行優(yōu)化,。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,。從而可以提供對特殊地址的穩(wěn)定訪問,。
　　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,，因為每次對它的讀寫都可能由不同意義

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是隨時可能發(fā)生變化的,，每次使用它的時候必須從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是一個寄存器變量或者表示一個端口數(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,。

 

************************典型問題*******************************

關(guān)鍵字volatile有什么含意?并給出三個不同的例子,。

一個定義為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)這個變量的值了。精確地說就是,，優(yōu)化器在用到這個變量時必須每次都小心地重新讀取這個變量的值,，而不是使用保存在寄存器里的備份,。下面是volatile變量的幾個例子：
1). 并行設(shè)備的硬件寄存器（如：狀態(tài)寄存器）
2). 一個中斷服務(wù)子程序中會訪問到的非自動變量(Non-automatic variables)
3). 多線程應(yīng)用中被幾個任務(wù)共享的變量
回答不出這個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). 一個參數(shù)既可以是const還可以是volatile嗎,？解釋為什么,。
2). 一個指針可以是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。一個例子是只讀的狀態(tài)寄存器,。它是volatile因為它可能被意想不到地改變,。它是const因為程序不應(yīng)該試圖去修改它。
2). 是的,。盡管這并不很常見,。一個例子是當(dāng)一個中服務(wù)子程序修改一個指向一個buffer的指針時。
3). 這段代碼的有個惡作劇,。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volatile型參數(shù)，編譯器將產(chǎn)生類似下面的代碼：
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，這段代碼可能返回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;
}

************************補(bǔ)充*******************************

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：

static int i=0; //應(yīng)該為static volatile 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,，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,。

volatile表示變量的內(nèi)容可能在程序未知的情況下被改變
比如,，它對應(yīng)的內(nèi)存地址的內(nèi)容被中斷函數(shù)，或者其他的進(jìn)程所改變
這種類型的變量,，程序執(zhí)行的時候不會放到cache當(dāng)中預(yù)取,，而是每次用到的時候直接取得
比如，你在c中間寫這樣的程序
for (int i=0; i <100000;i++);
空循環(huán),，什么也不做
這個東西就會被優(yōu)化調(diào),，如果在int前面加入這個標(biāo)記則不會被優(yōu)化的，因為i每次的變化不一定++也許在循環(huán)中間被別的程序所改變

在linux的source code（linux/mm/memory.c)中有這樣兩句:
volatile void do_exit(long code);

static inline volatile void oom(void)
{
printk("out of memory\n\r");
do_exit(SIGSEGV);

 

 

volatile修飾的確實是一個變量,，而且是一個“容易變”的變量,。在每次取這個變量值的時候，要求不是取它上次在某個時候取的臨時緩存變量（比如說暫存在某個寄存器中）,，而是直接到內(nèi)存中取,。

volatile變量能防止優(yōu)化,比如說你在某個地方可能連續(xù)調(diào)用了好幾次這個函數(shù)，于是編譯器優(yōu)化后,，可能就調(diào)用一次,，其他幾次就采用這一次調(diào)用的返回值，而volatile修飾后,，要讓每一次都進(jìn)行函數(shù)調(diào)用,， 而不采用暫存值。
 
volatile修飾不返回函數(shù),，比如函數(shù)體里面有exit或者死循環(huán)之類的東西,。這樣該函數(shù)被調(diào)用的時候不用把返回地址壓入堆棧,，（當(dāng)然還可能有其他），代碼得到優(yōu)化,。這個是 GCC 的擴(kuò)展
 
volatile在嵌入式里使用較多,。有時硬件動作會影響某存儲空間的內(nèi)容，對這些變量,，必須加volatile修飾,。
 
編譯器的優(yōu)化可以把本來在內(nèi)存中進(jìn)行訪問的數(shù)據(jù)裝入（緩存）到寄存器中以提高訪問效率。然而這種優(yōu)化在一些情況下可帶來問題,；此時,，應(yīng)該用 volatile 告訴編譯器不要進(jìn)行這種優(yōu)化以避免問題的出現(xiàn)。
每次操作前從內(nèi)存取值
 
有volatie修飾的變量,，每次操作時遵循下面動作：
從內(nèi)存取值 ---> 放入寄存器 ---> 操作 --->寫回內(nèi)存
沒有volatie修飾的變量,，操作可能遵循（可能就是不是所有情況都如此）：
從內(nèi)存取值 ---> 放入寄存器 ---> 第一次操作 ---> 第二次操作（此時仍操作寄存器中的值） …… --->第N次操作 --->寫回內(nèi)存
舉個例子論述兩者關(guān)系：
    int volatie i; //全局變量，在其它地方會被修改
    while (i){
        do_somethings();
    }
如果i沒有被volatie修飾,，當(dāng)while循環(huán)執(zhí)行時,，另一段程序并發(fā)的執(zhí)行了i=0，這個循環(huán)仍不會退出,，因為每次循環(huán)都是檢查寄存器中的值,。
如果有volatie修飾，那么循環(huán)結(jié)束,，因為循環(huán)每次檢查i的時候,，會先從內(nèi)存把i讀入寄存器，這個時候i在其它地方被賦0,，則循環(huán)結(jié)束。
 
關(guān)于 volatile 我覺得這樣的解析最容易理解：
如果編譯器在代碼中發(fā)現(xiàn)對同一地址的兩次訪問之間,，沒有對該地址進(jìn)行寫操作,，那么編譯器將優(yōu)化為第一次尋址讀該地址時取得的值作為第二次尋址的值，而并不是再做第二次物理上的 I/O 尋址操作,。volatile 關(guān)鍵字指示編譯器進(jìn)行強(qiáng)制 I/O 尋址,，因為編譯器那樣的優(yōu)化，可能并不是我們真正期望的,，譬如那個地址上連接著一個傳感器上的寄存器,，那么實際上，可能該寄存器的值是被傳感器自身不斷刷新的,。因此,，我們必要要求CPU每次都進(jìn)行 I/O 操作。
 
volatile 跟以前的 register 相反. register 告訴編譯器盡量將變量放到寄存器中使用, 而volatile 強(qiáng)制將更改后的值寫回內(nèi)存(無論是cache還是內(nèi)存). 如果不寫回內(nèi)存, 對于一些全局共享的變量, 可能導(dǎo)致不一致問題.