c语言中volatile的作用分析(一)

1. 背景
在嵌入式领域，我们往往有的时候需要根据一个标记 flag或者变量(全局的)来进行不同策略的程序执行。
在非编译器优化的形式下debug模式下，不会出任何问题。
但是我们对外发布的时候，往往都是 release版本，也就是进行了编译器优化，这个时候程序可能就会不同。

2. 编译器优化
c语言中，编译的步骤是先编译后链接的，那么在编译一个文件的时候，这个文件使用了外部的变量，仅仅需要声明就可以，等到链接的时候回去查找，所以编译器优化的时候，都是针对于当前文件进行优化。
编译器回去查找当前文件中那些 “不会改变的变量” (比如const 全局变量)。
为了效率的提高，编译器对这种 “不会改变的变量” 进行变量值的缓存。
缓存的方式为：把变量的值从内存读入寄存器。
之后每次访问变量的时候都直接拿寄存器的那个值，而不会去内存地址取变量值。

3. 例子
main.c 为主程序，不断判断其他文件中的一个全局变量的值（这就类似我们主程序判断其他设备状态一样）
device.c 为设备程序，开辟一个线程，在5s后对全局变量的值进行修改
main.c的代码

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
extern const int g_status;
extern  void launch_device();
int main() {
  launch_device();
  while(g_status == 0 ) {
    sleep(1);
    printf("launch_device g_status is %d\n", g_status);
  }    
  printf("launch_device end  g_status is %d\n", g_status);
  return 0;
}

device.c的代码

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
int g_status = 0;
void* func1(void* p) {
  sleep(5);
  g_status = 1;
  printf("init_device() - device status : g_status = %d\n", g_status);
}
void launch_device(void) {
  pthread_t id;
  pthread_create(&id,NULL,func1,NULL);
}

看起来是很平常的，主程序不断判断g_status，当为1就执行结束
编译：gcc main.c device.c -lpthread -o test
运行：./test
看输出结果

launch_device g_status is 0
launch_device g_status is 0
launch_device g_status is 0
launch_device g_status is 0
init_device() - device status : g_status = 1
launch_device g_status is 1
launch_device end  g_status is 1

完全符合预期，这也就是我们所谓的 debug模式
下面让我们加上编译优化 gcc里面最高的是 -O3
编译：gcc -O3 main.c device.c -lpthread -o test
运行：./test
看输出结果

launch_device g_status is 0
launch_device g_status is 0
launch_device g_status is 0
launch_device g_status is 0
init_device() - device status : g_status = 1
launch_device g_status is 0
launch_device g_status is 0
launch_device g_status is 0

程序一直在运行，不停止
造成这样的原因就是编译器进行了优化，看见了main.c中不会对g_status进行更改，那就把这个值存在寄存器中，以后直接拿值
但是实际上g_status值在其他文件是会更改的！！！

4. 解决办法Volatile
作用：修饰可能被意外改变的变量(内存)

volatile 修饰的变量是易变的;
编译器警告指示字;
告诉编译器每次去内存中取变量值;
然后对上面的例子中的main.c代码改一下;

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
extern const volatile int g_status;
extern  void launch_device();
int main() {
  launch_device();
  while(g_status == 0 ) {
    sleep(1);
    printf("launch_device g_status is %d\n", g_status);
   }    
  printf("launch_device end  g_status is %d\n", g_status);
  return 0;
}

编译:gcc -O3 main.c device.c -lpthread -o test
运行：./test
输出结果

launch_device g_status is 0
launch_device g_status is 0
launch_device g_status is 0
launch_device g_status is 0
init_device() - device status : g_status = 1
launch_device g_status is 1
launch_device end  g_status is 1

5. 一般用处
1.并行设备的硬件寄存器
比如对一个地址寄存器重复写多次值，编译器可能只用你最后一次的值;
2.变量在中断被修改
主程序就会判断变量没有被修改，就直接寄存器读取值，但是实际上这个值可能已经在外界被修改;
3.多线程共享标志
和中断类似，变量被改变，但是当前线程没有改变，编译器就会把该变量放到寄存器;
4.那些硬件时序相关
嵌入式设备对硬件进行启动、停止都是有其严格时序的，某一个寄存器先赋值为1再赋值为2最后赋值为1;
所以volatile就显得很重要

5. const 和 volatile冲突吗

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const表明修饰的变量不会出现在赋值符号的左边;
volatile表示使用变量的时候直接从内存拿;
二者是不影响的，可能当前文件的确不会修改const变量，但是其他文件可能会，为了防止编译器优化，又加了volatile;

c语言中volatile的作用分析(一)

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