了解C语言中的volatile

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（根据参考文献翻译整理而成）

volatile出现的背景

我们知道编译器将C代码转换成机器代码，这样就可以在没有实际源代码的情况下运行可执行文件。在将源代码转换为机器代码时，编译器通常会尝试优化输出，以便最终执行较少的机器代码。其中一个优化是删除从编译器视角看来无用的、用于访问变量的机器代码。假设我们有以下代码：

uint32 status = 0; 
  
while (status == 0) 
{
    
     
  /*Let us assume that status isn't being changed  
  in this while loop or may be in our whole program*/
  
  /*So long as status (which could be reflecting  
  status of some IO port) is ZERO, do something*/
}

编译器认为在while循环中，status变量没有变化。因此，在循环的每次迭代之后，不需要一次又一次地访问status变量。因此编译器会将这个循环转换成一个无限循环，即while（1），这样就不需要机器代码来读取status。但是，这种优化有时会产生错误。例如，某个外围设备IO端口被内存映射到status变量，当外围设备发生了IO操作，status变量会改变。所以实际上，我们希望在每次循环迭代之后编译器能够访问status变量，即使该变量没被程序修改。
有人可以说可以关闭此类程序的所有编译器优化，以免遇到这种情况。由于多种原因，这不是一个好的选择，因为：

每个编译器实现都是不同的，所以关闭编译器优化不是一个可移植的解决方案；
仅仅为了一个变量，不至于放弃编译器对程序其他部分所做的优化。
关闭所有优化，底层程序无法按预期运行。

这时，需要使用volatile。volatile向编译器说明status为特殊变量，不允许对该变量进行优化。这样，定义变量如下：

volatile uint32 status = 0;

通常，volatile与如下指针一起使用：

volatile uint32 * statusPtr = 0xF1230000

这里，statusPtr指向内存地址（例如，该地址用于某个IO端口），外围设备可以随时修改内存地址的内容。请注意，内部程序无法控制，也不知道内存中的内容什么时候被修改。因此，我们将其设置为“ volatile ”，编译器不会对statusPtr指向的volatile变量执行优化。
可以推测，程序中包含太多“volatile”变量也会导致越来越少的编译器优化。
在本文中，我们希望您采用“volatile 变量 = 不要对该变量进行编译器优化”的概念。

示例

在下面示例中，编译器不会进行任何优化，并且会更改const对象的值。

/* Compile code without optimization option */
#include <stdio.h> 
int main(void) 
{
    
     
    const int local = 10; 
    int *ptr = (int*) &local; 
  
    printf("Initial value of local : %d \n", local); 
  
    *ptr = 100; 
  
    printf("Modified value of local: %d \n", local); 
  
    return 0; 
}

当我们使用gcc的“ -save-temps”选项编译代码时，它将生成3个输出文件
1）预处理代码（具有.i扩展名）
2）汇编代码（具有.s扩展名）
3）目标代码（具有.o选项）。
我们在不优化的情况下编译代码，汇编代码会更大。

  [narendra@ubuntu]$ gcc volatile.c -o volatile –save-temps
  [narendra@ubuntu]$ ./volatile
  Initial value of local : 10
  Modified value of local: 100
  [narendra@ubuntu]$ ls -l volatile.s
  -rw-r–r– 1 narendra narendra 731 2016-11-19 16:19 volatile.s
  [narendra@ubuntu]$

让我们用优化选项（即-O选项）编译相同的代码。GCC编译器进行了优化，并忽略了试图更改const对象值的指令。因此，const对象的值保持不变。

  [narendra@ubuntu]$ gcc -O3 volatile.c -o volatile –save-temps
  [narendra@ubuntu]$ ./volatile
  Initial value of local : 10
  Modified value of local: 10
  [narendra@ubuntu]$ ls -l volatile.s
  -rw-r–r– 1 narendra narendra 626 2016-11-19 16:21 volatile.s

同时，因为编译器优化，汇编代码会减小。
最后，让我们将const对象声明为volatile并使用优化选项编译代码。尽管我们使用优化选项编译代码，const对象的值应该发生变化，但因为变量被声明为volatile，这意味着不进行任何优化。

/* Compile code with optimization option */
#include <stdio.h> 
  
int main(void) 
{
    
     
    const volatile int local = 10; 
    int *ptr = (int*) &local; 
  
    printf("Initial value of local : %d \n", local); 
  
    *ptr = 100; 
  
    printf("Modified value of local: %d \n", local); 
  
    return 0; 
}

输出：

  [narendra@ubuntu]$ gcc -O3 volatile.c -o volatile –save-temp
  [narendra@ubuntu]$ ./volatile
  Initial value of local : 10
  Modified value of local: 100
  [narendra@ubuntu]$ ls -l volatile.s
  -rw-r–r– 1 narendra narendra 711 2016-11-19 16:22 volatile.s
  [narendra@ubuntu]$

注意：上面的代码特定于编译器，可能不适用于所有编译器。

参考文档

[1]GeeksforGeeks.Understanding “volatile” qualifier in C | Set 1 (Introduction)[EB/OL].https://www.geeksforgeeks.org/understanding-volatile-qualifier-c-set-1-introduction/,2017-06-02.
[2]GeeksforGeeks.Understanding “volatile” qualifier in C | Set 2 (Examples)[EB/OL].https://www.geeksforgeeks.org/understanding-volatile-qualifier-in-c/,2020-04-26.