漫談C變量——優(yōu)化天敵“volatile”

時(shí)間：2020-08-03 11:21:09

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[導(dǎo)讀]【說在前面的話】自從紅警1重制以來，除了生病、上班、看漫畫、補(bǔ)番以外，我最大的樂趣就是在steam上參加夜間多人運(yùn)動(dòng)——當(dāng)然，也就沒有啥興致去更新。上周發(fā)了一篇原創(chuàng)以后，冷不丁的被人用“打賞”狠狠的催更了一番，好歹也是十六進(jìn)制兩位數(shù)的打賞——手

【說在前面的話】

自從紅警1重制以來，除了生病、上班、看漫畫、補(bǔ)番以外，我最大的樂趣就是在steam上參加夜間多人運(yùn)動(dòng)——當(dāng)然，也就沒有啥興致去更新。上周發(fā)了一篇原創(chuàng)以后，冷不丁的被人用“打賞”狠狠的催更了一番，好歹也是十六進(jìn)制兩位數(shù)的打賞——手中的鬼畜般“Acknowledge, Affirmtive”頓時(shí)就不香了——趕忙開始更新。

【正文】

在前面的文章《編譯器玄學(xué)報(bào)告第一期》中，我們了解到： volatile實(shí)際上是告訴編譯器“絕不允許對(duì)被修飾的變量動(dòng)手動(dòng)腳（做優(yōu)化）”，因?yàn)樵凇熬幾g器不知道的情況下”，這個(gè)變量的值是可能會(huì)因?yàn)楦鞣N原因被更新或者是改變的。實(shí)際使用中，volatile 阻斷了編譯器利用通用寄存器對(duì)靜態(tài)變量的操作進(jìn)行優(yōu)化，雖然能保證操作的正確性，卻無法在某些可以優(yōu)化的地方提升性能。例如：

static volatile uint32_t s_wVPort = 0;
void set_vport_u8(uint8_t chValue, uint8_t chOffset){ uint32_t wMask = 0xFF <<chOffset; //!<獲取正確的掩碼    s_wVPort &= ~wMask;                         //!<步驟1：將掩碼對(duì)應(yīng)的位置清零 s_wVPort |= ((uint32_t)chValue<<chOffset); //!<步驟2：設(shè)置新值到虛擬端口}

由于volatile的存在，步驟1和步驟2這樣的“讀改寫操作”都會(huì)獨(dú)立生成針對(duì)s_wVPort的讀寫操作，因此上述代碼等效為：

void set_vport_u8(uint8_t chValue, uint8_t chOffset){ uint32_t wMask = 0xFF <<chOffset; //!<獲取正確的掩碼
 //! s_wVPort&= ~wMask; 的等效展開 uint32_t wTemp1 = s_wVPort; //!<步驟1.1 讀取s_wVPort    wTemp1 &= ~wMask;                        //!<步驟1.2 改寫wTemp1 s_wVPort = wTemp1; //!<步驟1.3 將wTemp1寫回s_wVPort
 //! s_wVPort |= ((uint32_t)chValue<<chOffset);的等效展開 uint32_t wTemp1 = s_wVPort; //!<步驟2.1 讀取s_wVPort    wTemp1 |= ((uint32_t)chValue<<chOffset); //!<步驟2.2 改寫wTemp1 s_wVPort = wTemp1; //!<步驟2.3 將wTemp1寫回s_wVPort}

顯然，步驟1.3和2.1是多余的，我們可以手工將其優(yōu)化為：

void set_vport_u8(uint8_t chValue, uint8_t chOffset){ uint32_t wMask = 0xFF <<chOffset; //!<獲取正確的掩碼
 //! 將s_wVPort讀取到通用寄存器中（wTemp1編譯器會(huì)用通用寄存器來保存） uint32_t wTemp1 = s_wVPort; //!<步驟1.1 讀取s_wVPort
 //! 對(duì)保存在通用寄存器中的值進(jìn)行統(tǒng)一修改    wTemp1 &= ~wMask;                         //!<步驟1.2 改寫wTemp1    wTemp1 |= ((uint32_t)chValue<<chOffset);  //!<步驟2.2 改寫wTemp1
 //! 將修改后的值寫回s_wVPort s_wVPort = wTemp1; //!<步驟2.3 將wTemp1寫回s_wVPort}

這就是一個(gè)手工對(duì)volatile修飾的變量進(jìn)行局部優(yōu)化的例子，本質(zhì)上就是替代編譯器在合適的位置使用通用寄存器對(duì)靜態(tài)變量進(jìn)行“手工窺孔優(yōu)化”。需要注意的是，需要volatile進(jìn)行修飾的變量通常與多任務(wù)或者中斷/異常有關(guān)，因此，進(jìn)行手工窺孔優(yōu)化時(shí)，尤其需要注意“確保數(shù)據(jù)操作的完整性（原子性）”，相關(guān)內(nèi)容，我們將在隨后的文章中為您詳細(xì)展開。

volatile的應(yīng)用范圍非常廣泛，尤其是在嵌入式系統(tǒng)中，幾乎所有的外設(shè)寄存器都可以表述為如下的形式：

//!已知某32位外設(shè)寄存器的地址為 XXXXX_IO_REG_BASE_ADDRESS，則對(duì)應(yīng)的寄存器可以定義為#defineXXXXX_IO_REG ( *((volatile uint32_t*)XXXX_IO_REG_BASE_ADDRESS) )

考慮到這種情況，應(yīng)用中很多針對(duì)外設(shè)寄存器的連續(xù)操作都可以通過“手工窺孔優(yōu)化”來大幅度提高效率。如果可能（在保證程序邏輯正確的情況下），應(yīng)該盡可能減少volatile的使用；或者是限制其使用的范圍；萬不得已的情況下，則應(yīng)該對(duì)volatile參與的運(yùn)算熱點(diǎn)進(jìn)行“手工窺孔優(yōu)化”。