嵌入式軟件工程師必須知道的：volatile的作用

一個(gè)定義為volatile的變量是說這變量可能會(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。精確地說就是，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

回答不出這個(gè)問題的人是不會(huì)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(huì)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(huì)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(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)有什么錯(cuò)誤：
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。一個(gè)例子是當(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)。
3). 這段代碼的有個(gè)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(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)
{
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;
}

講講我的理解：

關(guān)鍵在于兩個(gè)地方：

1. 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)每次都把員工叫來登記他們的銀行卡號(hào)；一次會(huì)計(jì)為了省事，沒有即時(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

2. 在什么情況下會(huì)出現(xiàn)(如1樓所說)

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?，象多線程，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

－－－－－－－－－－－－簡(jiǎn)明示例如下：－－－－－－－－－－－－－－－－－－

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。

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(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)行過操作
int 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有對(duì)i進(jìn)行過操作，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。這樣以來，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volatile可以保證對(duì)特殊地址的穩(wěn)定訪問。
>>>>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。下面通過插入?yún)R編代碼，測(cè)試有無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：
>>
＃i nclude <stdio.h>
void main()
{
int i=10;
int a = i;
printf("i= %d",a);
//下面匯編語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 = 10
i = 32
然后，在release版本模式運(yùn)行程序，輸出結(jié)果如下：
i = 10
i = 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：
＃i nclude <stdio.h>
void main()
{
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，是無法判定合適這個(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)語句用來測(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”
由于訪問寄存器的速度要快過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();
}
}

/* 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(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)該如此說明。

一般說來，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說明，因?yàn)槊看螌?duì)它的讀寫都可能由不同意義；

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中可以通過關(guān)中斷來實(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。