《C语言 - 关键字volatile的作用》

前言：

编译器优化介绍：

　由于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。

　　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。

　　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，进一步可以消除一些代码。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。

 

1.volatile的作用

　　告诉编译器该变量是很容易被改变的。不要对该变量进行优化，即每次使用该变量时，系统总是重新从变量所在的内存读取数据，即使它前面的指令刚刚从该处读取过数据。而不是使用保存在寄存器中的备份。

　　volatile的几个例子：

　　1.并行设备的硬件寄存器（如：状态寄存器）

　　2.一个中断服务子程序中会访问到的非自动变量(Non-automatic variables) 

　　3.多线程应用中被几个任务共享的变量 

事例：

告诉编译器不要做优化：

比如要往某一地址送两指令：
int *ip =...; //设备地址
*ip = 1; //第一个指令
*ip = 2; //第二个指令
以上程序compiler可能做优化而成：
int *ip = ...;
*ip = 2;
结果第一个指令丢失。如果用volatile, compiler就不允许做任何的优化，从而保证程序的原意：
volatile int *ip = ...;
*ip = 1;
*ip = 2;

 

用volatile定义的变量会在程序外被改变,每次都必须从内存中读取，而不能重复使用放在cache或寄存器中的备份

volatile char a;
a=0;

while(!a){
    ；
}
doother();

　　如果没有 volatile，doother()不会被执行。

 

2.volatile的应用场景

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voliate，因为每次对它的读写都可能有不同意义。

 实例：

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中断产生时，在main函数中调用dosomething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dosomething永远也不会被调用。如果将变量加上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）。

思考一个问题： 

　　为什么在中断中修改了i的值，而在main函数中的i没有被编译器认为是1。而如果不是通过中断修改i，而只是在程序中修改i的值，main函数中的i就会被认为是1。

　　其实在中断中使用全局变量也可以，但是你要确保该全局变量在程序中没有被占用。

　　就比如我在盯着一个房间有没有人，我一开始进这个房间看了一眼，没有人，那么这个时候我就只需要在门口盯着，确保没有人从门口进去就行了。这个时候中断来了，就类似时间被暂停了，然后有个人进房间了。然后时间恢复，这个时候我依旧只会盯着门看，不会进门去看一下，确认房间是否有人。因为我认为我一直在盯着门。

　　这个就类似一开始编译器从内存中拿出i的值放到寄存器中，然后if(i)反复判断。编译器就会认为我中间没有去做其他事，没有必要再去从内存中拿一次i的值。

　　而如果再程序中修改i的值，就类似我在看着门，突然有事离开。然后再回来，我要确保我出去的这段时间，有没有人进房间，所以会进房间看一次有没有人。就类似从内存中取一次i的值。

 

假设要对一个设备进行初始化，此设备的某一个寄存器为0xff800000：

int  *output = (unsigned  int *)0xff800000;//定义一个IO端口；

int init(void)
{
      int i;
      for(i=0;i< 10;i++){

         *output = i;
      }
}

　　经过编译器优化后，编译器认为前面循环半天都是废话，对最后的结果毫无影响，因为最终只是将output这个指针赋值为9，所以编译器最后给你编译编译的代码结果相当于：

int  init(void)
{
      *output = 9;
}

　　如果你对此外部设备进行初始化的过程是必须是像上面代码一样顺序的对其赋值，显然优化过程并不能达到目的。反之如果你不是对此端口反复写操作，而是反复读操作，其结果是一样的，编译器在优化后，也许你的代码对此地址的读操作只做了一次。然而从代码角度看是没有任何问题的。这时候就该使用volatile通知编译器这个变量是一个不稳定的，在遇到此变量时候不要优化。

3..关于volatile的扩展

 一个参数既可以是const还可以是volatile吗？

　　 是的。一个例子是只读的状态寄存器。它是volatile因为它可能被意想不到地改变。它是const因为程序不应该试图去修改它。

 

一个指针可以是volatile 吗？

　　是的。一个例子是当一个中服务子程序修改一个指向一个buffer的指针时。

 

下面的函数有什么错误？

int square(volatile int *ptr) 
{ 
    return *ptr * *ptr; 
} 

　　有可能前半段的*ptr和后半段的*ptr的值不一样。应该修改成

long square(volatile int *ptr) 
{ 
    int a; 
    a = *ptr; 
    return a * a; 
}