关键字volatile

2017-03-20 本文已影响8人安然_fc00

一. volatile是什么？

volatile关键字是一种类型修饰符，对于用它声明的类型变量，编译器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。通常这些变量可能被某些编译器未知的因素更改，比如：操作系统、硬件或者其它线程等。

这是 BS 在 "The C++ Programming Language" 对 volatile 修饰词的说明：

A volatile specifier is a hint to a compiler that an object may change its value in ways not specified by the language so that aggressive optimizations must be avoided.

不使用volatile关键字时，编译器进行优化(举例)

int i=5;
int a=i;
··· ···
int b=i;

编译器发现两次从i读数据的代码之间，并没有对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；

使用volatile关键字

volatile int i=5;
int a=i;
··· ···
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，因而编译器生成的汇编代码会重新从i的地址读取数据放在 b 中。
由上述可知，如果 i是一个寄存器变量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。

二. volatile的起源

volatile关键字最早出现于20世纪70年代，被用于处理memory-mapeed I/O (MMIO)带来的问题。一块内存地址，既有可能是真正的内存，也有可能被映射到一个I/O端口。所以，每读写一个内存地址，既有可能读写一块数据内存，也有可能读写的是一个I/O设备。
MMIO为什么需要引入Volatile关键词?考虑以下代码执行后a,b,*p的值：

unsigned int *p=GetMagicAddress();
unsigned int a,b;
a=*p;                                              (1)
b=*p;                                              (2)

*p=a;                                              (3)
*p=b;                                              (4)

分析代码：

在此代码片段中，指针p既有可能指向一个内存地址，也有可能指向一个I/O设备。如果指针p指向的是I/O设备，那么(1)，(2)中的a，b，就会接收到I/O设备的连续两个字节。但是，p也有可能指向内存，此时，编译器的优化策略，就可能会判断出a，b同时从同一内存地址读取数据，在做完(1)之后，直接将a赋值给b。对于I/O设备，需要防止编译器做这个优化，不能假设指针b指向的内容不变——易变性。

同样，代码(3)，(4)也有类似的问题，编译器发现将a，b同时赋值给指针p是无意义的，因此可能会优化代码(3)中的赋值操作，仅仅保留代码(4)。对于I/O设备，需要防止编译器将写操作给彻底优化消失了——”不可优化”性。

对于I/O设备，编译器不能随意交互指令的顺序，因为顺序一变，写入I/O设备的内容也就发生变化了——”顺序性”。

基于MMIO的这三个需求，设计出来的C/C++ volatile关键词，所含有的特性：易变性，不可优化性和顺序性。

三．哪些情况，改变了内存中变量的值，编译器不知道？

1．多线程应用中被几个任务共享的变量；
2．一个中断服务子程序中会访问到的非自动变量；
3．并行设备的硬件寄存器（如：状态寄存器）；

四．何时需要使用volatile这个关键字？

嵌入式系统程序员经常同硬件、中断、RTOS等等打交道，所用会经常要求定义为volatile类型的变量。

五．3个经典的volatile问题

一个参数既可以是const还可以是volatile吗？解释为什么。
一个指针可以是volatile 吗？解释为什么。
下面的函数有什么错误：

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

下面是答案：

1). 可以是。例如对于只读的状态寄存器而言，如果它仅仅是volatile类型，那么它还是可能被意想不到的改变。但它还是const的时候，程序就不应该试图去修改它。
2). 可以是的。
尽管这种情况并不常见，但它还是可以。一个例子就是：
当一个中断服务子程序企图去修改一个指向一个buffer指针的时候。
3). 这段代码可能有点恶作剧的味道。但它很好说明volatile类型参数的含义和作用。
这段代码的目的是用来返回指针*ptr所指向的值的平方，
但是，由于*ptr指向一个volatile型参数，编译器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的值可能被意想不到地该变，因此a和b可能是不同的。所以，这段代码可能返回的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;
}

参考文章

http://hedengcheng.com/?p=725#_Toc373765728
http://blog.csdn.net/littletigerat/article/details/6439413
http://baike.baidu.com/link?url=7yD8aEhVJZaV83DhVKI9B_YkChlOCVSjPl3QnQDzQj7utDb53E-KTaIKbMoxdyLgwjSljttdPfH3MzafX2BZke5fdEP-tXeP8fk0CfT4owe
http://www.aristeia.com/Papers/DDJ_Jul_Aug_2004_revised.pdf