討論C語言中關鍵字volatile的含義

2020-02-24 14:32:41

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關鍵字volatile有什么含意？在本文中，我們將討論C語言中關鍵字volatile的含義，正好需要這方面知識點的同學趕緊看過來吧，趕緊跟武林技術頻道的編輯一起學習起來吧。

volatile 的意思是“易失的，易改變的”。這個限定詞的含義是向編譯器指明變量的內容可能會由于其他程序的修改而變化。通常在程序中申明了一個變量時，編譯器會盡量把它存放在通用寄存器中，例如ebx。當CPU把其值放到ebx中后就不會再關心對應內存中的值。若此時其他程序（例如內核程序或一個中斷）修改了內存中它的值，ebx中的值并不會隨之更新。為了解決這種情況就創建了volatile限定詞，讓代碼在引用該變量時一定要從指定位置取得其值。

關鍵字volatile有什么含意?并給出三個不同的例子。一個定義為volatile的變量是說這變量可能會被意想不到地改變，這樣，編譯器就不會去假設這個變量的值了。精確地說就是，優化器在用到這個變量時必須每次都小心地重新讀取這個變量的值，而不是使用保存在寄存器里的備份。下面是volatile變量的幾個例子：
1). 并行設備的硬件寄存器（如：狀態寄存器）
2). 一個中斷服務子程序中會訪問到的非自動變量(Non-automatic variables)
3). 多線程應用中被幾個任務共享的變量
回答不出這個問題的人是不會被雇傭的。我認為這是區分C程序員和嵌入式系統程序員的最基本的問題。嵌入式系統程序員經常同硬件、中斷、RTOS等等打交道，所用這些都要求volatile變量。不懂得volatile內容將會帶來災難。
假設被面試者正確地回答了這是問題（嗯，懷疑這否會是這樣），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). 一個參數既可以是const還可以是volatile嗎？解釋為什么。
2). 一個指針可以是volatile 嗎？解釋為什么。
3). 下面的函數有什么錯誤：
int square(volatile int *ptr)
{return *ptr * *ptr;}
下面是答案：
1). 是的。一個例子是只讀的狀態寄存器。它是volatile因為它可能被意想不到地改變。它是const因為程序不應該試圖去修改它。
2). 是的。盡管這并不很常見。一個例子是當一個中服務子程序修該一個指向一個buffer的指針時。
3). 這段代碼的有個惡作劇。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volatile型參數，編譯器將產生類似下面的代碼：

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; }
?

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作減少存取外部RAM的優化。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中斷產生時，在main當中調用dosomething函數，但是，由于編譯器判斷在main函數里面沒有修改過i，因此
可能只執行一次對從i到某寄存器的讀操作，然后每次if判斷都只使用這個寄存器里面的“i副本”，導致dosomething永遠也不會被調用。如果將將變量加上volatile修飾，則編譯器保證對此變量的讀寫操作都不會被優化（肯定執行）。此例中i也應該如此說明。
一般說來，volatile用在如下的幾個地方：
1、中斷服務程序中修改的供其它程序檢測的變量需要加volatile；
2、多任務環境下各任務間共享的標志應該加volatile；
3、存儲器映射的硬件寄存器通常也要加volatile說明，因為每次對它的讀寫都可能由不同意義；
另外，以上這幾種情況經常還要同時考慮數據的完整性（相互關聯的幾個標志讀了一半被打斷了重寫），在1中可以通過關中斷來實
現，2中可以禁止任務調度，3中則只能依靠硬件的良好設計了。
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指針類型也是一種變量,所以也是可以用volatile來修飾的.
volatile關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、硬件或者其它線程等。遇到這個關鍵字聲明的變量，編譯器對訪問該變量的代碼就不再進行
優化，從而可以提供對特殊地址的穩定訪問。
使用該關鍵字的例子如下：
int?? volatile?? nVint;
當要求使用volatile?? 聲明的變量的值的時候，系統總是重新從它所在的內存讀取數據，即使它前面的指
令剛剛從該處讀取過數據。而且讀取的數據立刻被保存。
例如：
volatile?? int?? i=10;
int?? a?? =?? i;
。。。//其他代碼，并未明確告訴編譯器，對i進行過操作
int?? b?? =?? i;
volatile?? 指出?? i是隨時可能發生變化的，每次使用它的時候必須從i的地址中讀取，因而編譯器生成的
匯編代碼會重新從i的地址讀取數據放在b中。而優化做法是，由于編譯器發現兩次從i讀數據的代碼之間
的代碼沒有對i進行過操作，它會自動把上次讀的數據放在b中。而不是重新從i里面讀。這樣以來，如果
i是一個寄存器變量或者表示一個端口數據就容易出錯，所以說volatile可以保證對特殊地址的穩定訪問。
注意，在vc6中，一般調試模式沒有進行代碼優化，所以這個關鍵字的作用看不出來。下面通過插入匯編
代碼，測試有無volatile關鍵字，對程序最終代碼的影響：
首先用classwizard建一個win32?? console工程，插入一個voltest.cpp文件，輸入下面的代碼：

#include?? <stdio.h>
void?? main()
{
? int?? i=10;
? int?? a?? =?? i;
? printf( "i=?? %d/n ",a);
??????????????? //下面匯編語句的作用就是改變內存中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/n ",b);
}

然后，在調試版本模式運行程序，輸出結果如下：

i?? =?? 10
i?? =?? 32

然后，在release版本模式運行程序，輸出結果如下：

i?? =?? 10
i?? =?? 10

輸出的結果明顯表明，release模式下，編譯器對代碼進行了優化，第二次沒有輸出正確的i值。
下面，我們把?? i的聲明加上volatile關鍵字，看看有什么變化：

#include?? <stdio.h>
void?? main()
{
? volatile?? int?? i=10;
? int?? a?? =?? i;
? printf( "i=?? %d/n ",a);
? __asm?? {
??? mov?????????????????? dword?? ptr?? [ebp-4],?? 20h
? }
? int?? b?? =?? i;
? printf( "i=?? %d/n ",b);
}

分別在調試版本和release版本運行程序，輸出都是：