【C/C++】易失变量、原子变量、寄存器变量的区别|volatile变量与atomic
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易失变量、原子变量、寄存器变量的区别|volatile变量与atomic
再会 volatile 关键字——the order of volatile accesses is undefined
易失变量、原子变量、寄存器变量的区别|volatile变量与atomic
Volatile 变量可以确保先行关系，即写操作会发生在后续的读操作之前, 但它并不
能保证原子性。例如用 volatile 修饰 count 变量那么 count++ 操作就不是原子
性的。
而 AtomicInteger 类提供的 atomic 方法可以让这种操作具有原子性如
getAndIncrement()方法会原子性的进行增量操作把当前值加一，其它数据类型
和引用变量也可以进行相似操作。
寄存器变量：
在c语言当中可以使用寄存器变量来优化程序的性能,最常见的是在一个函数体当中,将一个常用的变量声明为寄存器变量: register int ra; 如果可能的话,编译器就会为它分配一个单独的寄存器，在整个函数执行期间对这个变量的操作全都是对这个寄存器进行操作,这时候就不用频繁地去访存了,自然就提高了性能.但是寄存器变量不是强制性的,也就是,即使你使用register关键字去声明一个变量为寄存器变量，编译器还是有可能把它作为一个普通的变量而不是寄存器变量来使用的.
易失变量：
volatile(嵌入式程序员必须掌握的)，volatile最初的意思是表示汽油容易挥发,在c中的作用大概有两点
（1）表示变量是易失的,易变的.
（2）强制访存操作,防止编译器去优化,告诉编译器每次必须去内存中取值,而不是从寄存器或者缓存.
缓存一致性问题
这三者之间的交互关系如下
计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中，势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。因此在CPU里面就有了高速缓存。
也就是，当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。举个简单的例子，比如下面的这段代码：
i = i + 1;
当线程执行这个语句时，会先从主存当中读取i的值，然后复制一份到高速缓存当中，然后CPU执行指令对i进行加1操作，然后将数据写入高速缓存，最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。
这个代码在单线程中运行是没有任何问题的，但是在多线程中运行就会有问题了。在多核CPU中，每条线程可能运行于不同的CPU中，因此每个线程运行时有自己的高速缓存（对单核CPU来说，其实也会出现这种问题，只不过是以线程调度的形式来分别执行的）。本文我们以多核CPU为例。
比如同时有2个线程执行这段代码，假如初始时i的值为0，那么我们希望两个线程执行完之后i的值变为2。但是事实会是这样吗？
可能存在下面一种情况：初始时，两个线程分别读取i的值存入各自所在的CPU的高速缓存当中，然后线程1进行加1操作，然后把i的最新值1写入到内存。此时线程2的高速缓存当中i的值还是0，进行加1操作之后，i的值为1，然后线程2把i的值写入内存。
最终结果i的值是1，而不是2。这就是著名的缓存一致性问题。通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。
并发编程（一）—— volatile关键字和 atomic包 - https://www.cnblogs.com/java-chen-hao/p/9968544.html
再会 volatile 关键字——the order of volatile accesses is undefined
作者: 奔跑 日期: 2011 年 08 月 06 日 发表评论 (0) 查看评论
1.问题描述：
在编译代码时出现以下警告。
Warning[Pa082]: undefined behavior: the order of volatile accesses is undefined in this statement
警告处代码如下：
if ((TAR+CcrCont) > TACCR0)
{
return FALSE;
}
警告的意思大体是说，对 volatile 的访问没有被定义。
2.问题分析：
看到 volatile ，才想起以前看过的关于volatile的资料。由于 TAR 是会随时被硬件改变的，所以在使用TAR时应该先拷贝该值到一个临时变量，然后再使用。
所以代码应该修改如下：
u16 Temp = 0;
Temp = TAR;
if ((Temp+CcrCont) > TACCR0)
{
return FALSE;
}
另外，这个报警还提醒了我，我的有些变量应该加上 volatile 关键字。
详解C中volatile关键字（IAR 优化等级问题）
在IAR编译器选择高级优化的时候，会造成一些volatile 变量被当成常量，从而造成很多问题。
“循环变量没有volatile 造成高级优化是那些延时被忽略掉，从而lcd工作不稳定造成的”
“检查代码吧,最高优化等级的时候,要求代码写得相当OK.一些该volatile的地方该加上.
我一般都是随便用,觉得程序大了就提高优化等级,最高优化从来没出过问题. ”
http://www.cnblogs.com/yc_sunniwell/archive/2010/06/24/1764231.html
volatile提醒编译器它后面所定义的变量随时都有可能改变，因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候，都会直接从变量地址中读取数据。如果没有volatile关键字，则编译器可能优化读取和存储，可能暂时使用寄存器中的值，如果这个变量由别的程序更新了的话，将出现不一致的现象。下面举例说明。在DSP开发中，经常需要等待某个事件的触发，所以经常会写出这样的程序：
short flag;
void test()
{
do1();
while(flag==0);
do2();
}
这段程序等待内存变量flag的值变为1(怀疑此处是0,有点疑问,)之后才运行do2()。变量flag的值由别的程序更改，这个程序可能是某个硬件中断服务程序。例如：如果某个按钮按下的话，就会对DSP产生中断，在按键中断程序中修改flag为1，这样上面的程序就能够得以继续运行。但是，编译器并不知道flag的值会被别的程序修改，因此在它进行优化的时候，可能会把flag的值先读入某个寄存器，然后等待那个寄存器变为1。如果不幸进行了这样的优化，那么while循环就变成了死循环，因为寄存器的内容不可能被中断服务程序修改。为了让程序每次都读取真正flag变量的值，就需要定义为如下形式：
volatile short flag;
需要注意的是，没有volatile也可能能正常运行，但是可能修改了编译器的优化级别之后就又不能正常运行了。因此经常会出现debug版本正常，但是release版本却不能正常的问题。所以为了安全起见，只要是等待别的程序修改某个变量的话，就加上volatile关键字。
volatile的本意是“易变的”
由于访问寄存器的速度要快过RAM，所以编译器一般都会作减少存取外部RAM的优化。比如：
static int i=0;
int main(void)
{
...
while (1)
{
if (i) do_something();
}
}
void ISR_2(void)
{
i=1;
}
程序的本意是希望ISR_2中断产生时，在main当中调用do_something函数，但是，由于编译器判断在main函数里面没有修改过i，因此可能只执行一次对从i到某寄存器的读操作，然后每次if判断都只使用这个寄存器里面的“i副本”，导致do_something永远也不会被调用。如果变量加上volatile修饰，则编译器保证对此变量的读写操作都不会被优化（肯定执行）。此例中i也应该如此说明。
一般说来，volatile用在如下的几个地方：
1、中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量需要加volatile；
2、多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile；
3、存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile说明，因为每次对它的读写都可能由不同意义；
另外，以上这几种情况经常还要同时考虑数据的完整性（相互关联的几个标志读了一半被打断了重写），在1中可以通过关中断来实现，2中可以禁止任务调度，3中则只能依靠硬件的良好设计了。
二、volatile 的含义
volatile总是与优化有关，编译器有一种技术叫做数据流分析，分析程序中的变量在哪里赋值、在哪里使用、在哪里失效，分析结果可以用于常量合并，常量传播等优化，进一步可以死代码消除。但有时这些优化不是程序所需要的，这时可以用volatile关键字禁止做这些优化，volatile的字面含义是易变的，它有下面的作用：
1 不会在两个操作之间把volatile变量缓存在寄存器中。在多任务、中断、甚至setjmp环境下，变量可能被其他的程序改变，编译器自己无法知道，volatile就是告诉编译器这种情况。
2 不做常量合并、常量传播等优化，所以像下面的代码：
volatile int i = 1;
if (i > 0) ...
if的条件不会当作无条件真。
3 对volatile变量的读写不会被优化掉。如果你对一个变量赋值但后面没用到，编译器常常可以省略那个赋值操作，然而对Memory Mapped IO的处理是不能这样优化的。
前面有人说volatile可以保证对内存操作的原子性，这种说法不大准确，其一，x86需要LOCK前缀才能在SMP下保证原子性，其二，RISC根本不能对内存直接运算，要保证原子性得用别的方法，如atomic_inc。
对于jiffies，它已经声明为volatile变量，我认为直接用jiffies++就可以了，没必要用那种复杂的形式，因为那样也不能保证原子性。
你可能不知道在Pentium及后续CPU中，下面两组指令
inc jiffies
;;
mov jiffies, �x
inc �x
mov �x, jiffies
作用相同，但一条指令反而不如三条指令快。
三、编译器优化 → C关键字volatile → memory破坏描述符zz
“memory”比较特殊，可能是内嵌汇编中最难懂部分。为解释清楚它，先介绍一下编译器的优化知识，再看C关键字volatile。最后去看该描述符。
1、编译器优化介绍
内存访问速度远不及CPU处理速度，为提高机器整体性能，在硬件上引入硬件高速缓存Cache，加速对内存的访问。另外在现代CPU中指令的执行并不一定严格按照顺序执行，没有相关性的指令可以乱序执行，以充分利用CPU的指令流水线，提高执行速度。以上是硬件级别的优化。再看软件一级的优化：一种是在编写代码时由程序员优化，另一种是由编译器进行优化。编译器优化常用的方法有：将内存变量缓存到寄存器；调整指令顺序充分利用CPU指令流水线，常见的是重新排序读写指令。对常规内存进行优化的时候，这些优化是透明的，而且效率很好。由编译器优化或者硬件重新排序引起的问题的解决办法是在从硬件（或者其他处理器）的角度看必须以特定顺序执行的操作之间设置内存屏障（memory barrier），linux 提供了一个宏解决编译器的执行顺序问题。
void Barrier(void)
这个函数通知编译器插入一个内存屏障，但对硬件无效，编译后的代码会把当前CPU寄存器中的所有修改过的数值存入内存，需要这些数据的时候再重新从内存中读出。
2、C语言关键字volatile
C语言关键字volatile（注意它是用来修饰变量而不是上面介绍的__volatile__）表明某个变量的值可能在外部被改变，因此对这些变量的存取不能缓存到寄存器，每次使用时需要重新存取。该关键字在多线程环境下经常使用，因为在编写多线程的程序时，同一个变量可能被多个线程修改，而程序通过该变量同步各个线程，例如：
DWORD __stdcall threadFunc(LPVOID signal)
{
int* intSignal=reinterpret_cast<int*>(signal);
*intSignal=2;
while(*intSignal!=1)
sleep(1000);
return 0;
}
该线程启动时将intSignal 置为2，然后循环等待直到intSignal 为1 时退出。显然intSignal的值必须在外部被改变，否则该线程不会退出。但是实际运行的时候该线程却不会退出，即使在外部将它的值改为1，看一下对应的伪汇编代码就明白了：
mov ax,signal
label:
if(ax!=1)
goto label
对于C编译器来说，它并不知道这个值会被其他线程修改。自然就把它cache在寄存器里面。记住，C 编译器是没有线程概念的！这时候就需要用到volatile。volatile 的本意是指：这个值可能会在当前线程外部被改变。也就是说，我们要在threadFunc中的intSignal前面加上volatile关键字，这时候，编译器知道该变量的值会在外部改变，因此每次访问该变量时会重新读取，所作的循环变为如下面伪码所示：
label:
mov ax,signal
if(ax!=1)
goto label
3、Memory
有了上面的知识就不难理解Memory修改描述符了，Memory描述符告知GCC：
1）不要将该段内嵌汇编指令与前面的指令重新排序；也就是在执行内嵌汇编代码之前，它前面的指令都执行完毕
2）不要将变量缓存到寄存器，因为这段代码可能会用到内存变量，而这些内存变量会以不可预知的方式发生改变，因此GCC插入必要的代码先将缓存到寄存器的变量值写回内存，如果后面又访问这些变量，需要重新访问内存。
如果汇编指令修改了内存，但是GCC 本身却察觉不到，因为在输出部分没有描述，此时就需要在修改描述部分增加“memory”，告诉GCC 内存已经被修改，GCC 得知这个信息后，就会在这段指令之前，插入必要的指令将前面因为优化Cache 到寄存器中的变量值先写回内存，如果以后又要使用这些变量再重新读取。
使用“volatile”也可以达到这个目的，但是我们在每个变量前增加该关键字，不如使用“memory”方便。
