C语言中volatile关键字

volatile是一个类型修饰符(type specifier),就像我们熟悉的const一样,它是被设计用来修饰被不同线程访问和修改的变量;volatile的作用是作为指令关键字,确保本条指令不会因编译器的优化而省略,且要求每次直接读值。

volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变,这样,编译器就不会去假设这个变量的值了。

作用

简单地说就是防止编译器对代码进行优化。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,但是编译器却会对上述四条语句进行优化,认为只有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,则编译器会逐一地进行编译并产生相应的机器代码(产生四条代码)。
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

这是区分C程序员和嵌入式系统程序员的最基本的问题:嵌入式系统程序员经常同硬件、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个问题(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。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的指针时。

3)这段代码是个恶作剧。这段代码的目的是用来返指针ptr指向值的平方,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)//这里参数应该申明为引用,不然函数体里只会使用副本,外部没法更改

{

    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;

}

讲讲个人理解:

关键在于两个地方:

⒈编译器的优化(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,从而造成应用程序读取的值和实际的变量值不一致

当该寄存器在因别的线程等而改变了值,原变量的值不会改变,从而造成应用程序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 -- 原始变量地址

银行卡号 -- 原始变量在寄存器的备份

⒉ 在什么情况下会出现

1)并行设备的硬件寄存器

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,像多线程,中断等,并不是因为用volatile修饰了的变量就是“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

volatile关键字是一种类型修饰符,用它声明的类型变量表示可以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。遇到这个关键字声明的变量,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。

使用该关键字的例子如下:

volatile int vint;

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,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,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:

#include<stdio.h>

 

void main(int argc,char *argv[])

 

{

     

    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

i = 10

输出的结果明显表明,release模式下,编译器对代码进行了优化,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,看看有什么变化:

#include<stdio.h>

void main(int argc,char *argv[])

{

    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

你自己的程序,是无法判定何时这个变量会发生变化

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,通过驱动程序和中断事件,系统改变了这个变量的数值,而你的程序并不知道。

对于volatile类型的变量,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。


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