何為C語言關鍵字volatile

作者：王姍姍,華清遠見嵌入式學院講師。

在學習Ｃ關鍵詞的時候，我們看到了一個新面孔——volatile。在程序員面試寶典中提到“關鍵字volatile的面試例題是考查嵌入式編程”，中間有一段解析：

回答不出這個問題的人是不會被雇傭的。我認為這是區(qū)分C程序員和嵌入式系統(tǒng)程序員的最基本的問題。搞嵌入式的家伙們經常同硬件、中斷、RTOS等等打交道，所有這些都要求用到volatile變量。不懂得volatile的內容將會帶來災難。 假設被面試者正確地回答了這是問題（嗯，懷疑是否會是這樣），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。

下面我們來看下寶典中提到的問題：

關鍵字volatile有什么含意?并給出三個不同的例子。

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，但有可能會讀臟數(shù)據(jù)。當要求使用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。

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從內存里讀取這個變量的值，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) 并行設備的硬件寄存器（如：狀態(tài)寄存器）

2) 一個中斷服務子程序中會訪問到的非自動變量(Non-automatic variables)

3) 多線程應用中被幾個任務共享的變量

在這里要說下，其實不僅僅是并行設備的硬件寄存器，串行設備的硬件寄存器也行，也就是說只要是硬件寄存器都需要這么做，當我們不能確保寄存器里的值一定不會變的情況下就需要使用volatile。看下面的例子，2410addr.h是所有寄存器中的頭文件，其中就有很多volatile的應用，下面列出一個宏定義出來：

#define rURXH0 (*(volatile unsigned char *)0x50000024) //UART 0 Receive buffer

這個就是串行的接收ｂｕｆｆｅｒ，其地址為0x50000024，如果我們沒有將這個地址強行轉換成volatile，那么我們在使用rURXH0時，可能直接從cpu的寄存器中取值。因為之前rURXH0被訪問過，也就是說之前就從內存中取出rURXH0的值保存到 某個寄存器中。之所以直接從寄存器中取值，而不去內存中取值，是因為編譯器優(yōu)化代碼的結果（訪問cpu寄存器比訪問ram快的多）。用volatile關鍵字對0x50000024進行強制轉換，使得每一次被訪問rURXH0時，執(zhí)行部件都會從0x50000024這個內存單元中取出值來賦值給rURXH0。

volatile關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。volatile提醒編譯器它后面所定義的變量隨時都有可能改變，因此編譯后的程序每次需要存儲或讀取這個變量的時候，都會直接從變量地址中讀取數(shù)據(jù)。如 果沒有volatile關鍵字，則編譯器可能優(yōu)化讀取和存儲，可能暫時使用寄存器中的值，如果這個變量由別的程序更新了的話，將出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象。所以遇到這個關鍵字聲明的變量，編譯器對訪問該變量的代碼就不再進行優(yōu)化，從而可以提供對特殊地址的穩(wěn)定訪問。

一般說來，volatile用在如下的幾個地方：

1、中斷服務程序中修改的供其它程序檢測的變量需要加volatile；

2、多任務環(huán)境下各任務間共享的標志應該加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；

另外，以上這幾種情況經常還要同時考慮數(shù)據(jù)的完整性（相互關聯(lián)的幾個標志讀了一半被打斷了重寫），在1中可以通過關中斷來實現(xiàn)，2中可以禁止任務調度，3中則只能依靠硬件的良好設計了。

下面舉例說明。在DSP開發(fā)中，經常需要等待某個事件的觸發(fā)，所以經常會寫出這樣的程序：

short flag;

void test()

{

do1();

while(flag==0);

do2();

}

這段程序等待內存變量flag的值變?yōu)?(懷疑此處是0,有點疑問,)之后才運行do2()。

變量flag的值由別的程序更改，這個程序可能是某個硬件中斷服務程序。例如：如果某個按鈕按下的話，就會對DSP產生中斷，在按鍵中斷程序中修改flag為1，這樣上面的程序就能夠得以繼續(xù)運行。

但是，編譯器并不知道flag的值會被別的程序修改，因此在它進行優(yōu)化的時候，可能會把flag的值先讀入某個寄存器，然后等待那個寄存器變?yōu)?。如果不幸進行了這樣的優(yōu)化，那么while循環(huán)就變成了死循環(huán)，因為寄存器的內容不可能被中斷服務程序修改。

為了讓程序每次都讀取真正flag變量的值，就需要定義為如下形式：

volatile short flag;

需要注意的是，沒有volatile也可能能正常運行，但是可能修改了編譯器的優(yōu)化級別之后就又不能正常運行了。因此經常會出現(xiàn)debug版本正常，但是release版本卻不能正常的問題。所以為了安全起見，只要是等待別的程序修改某個變量的話，就加上volatile關鍵字。在曹老師的《volatile在多線程中的應用》一文中也舉例說明了volatile在多線程中的應用。

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