C语言开发总结（二十三）

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2022-08-18 14:19 157阅读 0赞

[C关键字之 volatile][C_ volatile]

就象大家更熟悉的const一样，volatile是一个类型[修饰符][Link 1]（type specifier）。它是被设计用来修饰被不同线程访问和修改的[变量][Link 2]。如果没有volatile，基本上会导致这样的结果：要么无法编写多线程程序，要么[编译器][Link 3]失去大量优化的机会。

volatile的作用

**volatile**的作用： 作为指令 [关键字][Link 4]，确保本条指令不会因 [编译器][Link 3]的优化而省略，且要求每次直接读值.

简单地说就是防止 [编译器][Link 3]对代码进行优化.比如如下程序：

XBYTE\[2\]=0x55;

XBYTE\[2\]=0x56;

XBYTE\[2\]=0x57;

XBYTE\[2\]=0x58;

对外部硬件而言，上述四条语句分别表示不同的操作，会产生四种不同的动作，但是[编译器][Link 3]就不能像对待纯粹的程序那样对上述四条语句进行优化，只认为XBYTE\[2\]=0x58（即忽略前三条语句，只产生一条机器代码）。如果键入**volatile**，则编译器会逐一的进行编译并产生相应的机器代码（四条）.

## volatile变量的几个例子 ##

推荐一个定义为volatile的[变量][Link 2]是说这变量可能会被意想不到地改变，这样，[编译器][Link 3]就不会去假设这个变量的值了。精确地说就是，优化器在用到这个变量时必须每次都小心地重新读取这个变量的值，而不是使用保存在[寄存器][Link 5]里的备份。下面是volatile变量的几个例子：

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

回答不出这个问题的人是不会被雇佣的。我认为这是区分C程序员和[嵌入式系统][Link 6]程序员的最基本的问题。[嵌入式系统][Link 6]程序员经常同硬件、中断、RTOS等等打交道，所有这些都要求使用volatile变量。不懂得volatile内容将会带来灾难。

假设被面试者正确地回答了这是问题（嗯，怀疑是否会是这样），我将稍微深究一下，看一下这家伙是不是真正懂得volatile完全的重要性。

1）. 一个参数既可以是const还可以是volatile吗？解释为什么。

2）. 一个指针可以是volatile 吗？解释为什么。

3）. 下面的函数被用来计算某个整数的平方，它能实现预期设计目标吗？如果不能，试回答存在什么问题：

int square(volatile int \*ptr)

return \*ptr \* \*ptr;

下面是答案：

1）. 是的。一个例子是只读的[状态寄存器][Link 7]。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。

2）. 是的。尽管这并不很常见。一个例子是当一个中断服务子程序修改一个指向一个buffer的[指针][Link 8]时。

3）. 这段代码是个恶作剧。这段代码的目的是用来返[指针][Link 8]\*ptr指向值的平方，但是，由于\*ptr指向一个volatile型参数，[编译器][Link 3]将产生类似下面的代码：

int square(volatile int \*ptr)

int a,b;

a = \*ptr;

b = \*ptr;

return a \* b;

由于\*ptr的值可能在两次取值语句之间发生改变，因此a和b可能是不同的。结果，这段代码可能返不是你所期望的平方值！正确的代码如下：

long square(volatile int \*ptr)

int a;

a = \*ptr;

return a \* a;

讲讲我的理解：（欢迎打板子...~~！）

关键在于两个地方：

⒈ [编译器][Link 3]的优化（请高手帮我看看下面的理解）

在本次线程内，当读取一个变量时，为提高存取速度，[编译器][Link 3]优化时有时会先把变量读取到一个寄存器中；以后，再取变量值时，就直接从寄存器中取值；

当[变量][Link 2]值在本线程里改变时，会同时把变量的新值copy到该寄存器中，以便保持一致

当[变量][Link 2]在因别的线程等而改变了值，该寄存器的值不会相应改变，从而造成[应用程序][Link 9]读取的值和实际的变量值不一致

当该[寄存器][Link 5]在因别的线程等而改变了值，原[变量][Link 2]的值不会改变，从而造成[应用程序][Link 9]读取的值和实际的变量值不一致

举一个不太准确的例子：

发薪资时，会计每次都把员工叫来登记他们的银行卡号；一次会计为了省事，没有即时登记，用了以前登记的银行卡号；刚好一个员工的银行卡丢了，已挂失该银行卡号；从而造成该员工领不到工资

员工 －－ 原始 [变量][Link 2]地址

银行卡号 －－ 原始 [变量][Link 2]在寄存器的备份

⒉ 在什么情况下会出现（如1楼所说）

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

补充：volatile应该解释为“直接存取原始内存地址”比较合适，“易变的”这种解释简直有点误导人；

“易变”是因为外在因素引起的，象多线程，中断等，并不是因为用volatile修饰了的[变量][Link 2]就是“易变”了，假如没有外因，即使用volatile定义，它也不会变化；

而用volatile定义之后，其实这个[变量][Link 2]就不会因外因而变化了，可以放心使用了； 大家看看前面那种解释（易变的）是不是在误导人

－－－－－－－－－－－－简明示例如下：－－－－－－－－－－－－－－－－－－

volatile[关键字][Link 4]是一种类型[修饰符][Link 1]，用它声明的类型[变量][Link 2]表示可以被某些[编译器][Link 3]未知的因素更改，比如：[操作系统][Link 10]、硬件或者其它线程等。遇到这个[关键字][Link 4]声明的[变量][Link 2]，[编译器][Link 3]对访问该变量的代码就不再进行优化，从而可以提供对特殊地址的稳定访问。

使用该 [关键字][Link 4]的例子如下：

int volatile nVint;

>>>>；当要求使用volatile 声明的变量的值的时候，系统总是重新从它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。而且读取的数据立刻被保存。

例如：

volatile int i=10;

int a = i;

...

//其他代码，并未明确告诉 [编译器][Link 3]，对i进行过操作

int b = i;

>>>>volatile 指出 i是随时可能发生变化的，每次使用它的时候必须从i的地址中读取，因而 [编译器][Link 3]生成的汇编代码会重新从i的地址读取数据放在b中。而优化做法是，由于 [编译器][Link 3]发现两次从i读数据的代码之间的代码没有对i进行过操作，它会自动把上次读的数据放在b中。而不是重新从i里面读。这样一来，如果i是一个 [寄存器变量][Link 11]或者表示一个端口数据就容易出错，所以说volatile可以保证对特殊地址的稳定访问。

>>>>；注意，在vc6中，一般调试模式没有进行代码优化，所以这个 [关键字][Link 4]的作用看不出来。下面通过插入汇编代码，测试有无volatile [关键字][Link 4]，对程序最终代码的影响：

>>>>；首先，用classwizard建一个win32 console工程，插入一个voltest.cpp文件，输入下面的代码：

\#i nclude <stdio.h>

void main()

int i=10;

int a = i;

printf("i= %d",a);

//下面汇编语句的作用就是改变内存中i的值，但是又不让 [编译器][Link 3]知道

\_\_asm \{

mov dword ptr \[ebp-4\],20h

int b = i;

printf("i= %d",b);

然后，在调试版本模式运行程序，输出结果如下：

i = 10

i = 32

然后，在release版本模式运行程序，输出结果如下：

i = 10

输出的结果明显表明，release模式下， [编译器][Link 3]对代码进行了优化，第二次没有输出正确的i值。下面，我们把 i的声明加上volatile [关键字][Link 4]，看看有什么变化：

\#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);

分别在调试版本和release版本运行程序，输出都是：

i = 10

i = 32

这说明这个 [关键字][Link 4]发挥了它的作用！

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volatile对应的变量可能在你的程序本身不知道的情况下发生改变

比如多线程的程序，共同访问的内存当中，多个程序都可以操纵这个 [变量][Link 2]

你自己的程序，是无法判定何时这个 [变量][Link 2]会发生变化

还比如，他和一个外部设备的某个状态对应，当外部设备发生操作的时候，通过 [驱动程序][Link 12]和中断事件，系统改变了这个 [变量][Link 2]的数值，而你的程序并不知道。

对于volatile类型的 [变量][Link 2]，系统每次用到他的时候都是直接从对应的内存当中提取，而不会利用cache当中的原有数值，以适应它的未知何时会发生的变化，系统对这种变量的处理不会做优化——显然也是因为它的数值随时都可能变化的情况。

\--------------------------------------------------------------------------------

典型的例子

for (int i=0; i<100000; i++);

这个语句用来测试空循环的速度的

但是 [编译器][Link 3]肯定要把它优化掉，根本就不执行

如果你写成

for (volatile int i=0; i<100000; i++);

它就会执行了

volatile的本意是“易变的”

由于访问 [寄存器][Link 5]的速度要快过RAM，所以 [编译器][Link 3]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 ⑴

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当中调用dosomething函数，但是，由于编译器判断在 [main函数][main]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][Link 5]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][Link 2]加上volatile修饰，则 [编译器][Link 3]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。

## volatile一般使用的地方 ##

一般说来，volatile用在如下的几个地方：

1、 [中断服务程序][Link 13]中修改的供其它程序检测的 [变量][Link 2]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][Link 14]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有不同意义；

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

[C_ volatile]: http://blog.csdn.net/daiyutage/article/details/8599044
[Link 1]: http://baike.baidu.com/view/2366445.htm
[Link 2]: http://baike.baidu.com/view/296689.htm
[Link 3]: http://baike.baidu.com/view/487018.htm
[Link 4]: http://baike.baidu.com/view/390935.htm
[Link 5]: http://baike.baidu.com/view/6159.htm
[Link 6]: http://baike.baidu.com/view/6115.htm
[Link 7]: http://baike.baidu.com/view/5048524.htm
[Link 8]: http://baike.baidu.com/view/159417.htm
[Link 9]: http://baike.baidu.com/view/330120.htm
[Link 10]: http://baike.baidu.com/view/880.htm
[Link 11]: http://baike.baidu.com/view/3792358.htm
[Link 12]: http://baike.baidu.com/view/1048.htm
[main]: http://baike.baidu.com/view/379148.htm
[Link 13]: http://baike.baidu.com/view/600257.htm
[Link 14]: http://baike.baidu.com/view/4074092.htm