volatile是一个类型修饰符,其作用是作为指令关键字,确保本条指令不会因为编译器的优化而省略,且要求每次直接读值。简单来说,就是防止编译器对代码进行优化。
eg:
a[1]=1;
a[1]=2;
a[1]=3;
a[1]=4;
对于外部硬件而言,上述四条语句分别表示不同的操作,会产生不同的动作,但是编译器却会对上述四条语句进行优化,认为只有a[1]=4有效;如果加入关键字volatile,则编译器会逐一的进行编译并产生相应的机器代码。
经常使用到volatile变量的例子:
(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;
(3)多线程应用中被几个任务共享的变量;
嵌入式系统程序经常同硬件、中断、RTOS等等打交道,所有这些都要求使用volatile变量。
如在C语言中,volatile关键字可以用来提醒编译器它后面所定义的变量随时有可能改变,因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候,都会直接从变量地址中读取数据。如果没有volatile关键字,则编译器可能优化读取和存储,可能暂时使用寄存器中的值,如果这个变量由别的程序更新了的话,将出现不一致的现象。
volatile与多线程语义
临界区内部,通过互斥锁(mutex)保证只有一个线程可以访问,因此临界区内的变量不需要是volatile的;而在临界区外部,被多个线程访问的变量应为volatile,这也符合了volatile的原意:防止编译器缓存(cache)了被多个线程并发用到的变量。volatile对象只能调用volatile成员函数,这意味着应仅对多线程并发安全的成员函数加volatile修饰,这种volatile成员函数可自由用于多线程并发或者重入而不必使用临界区;非volatile的成员函数意味着单线程环境,只应在临界区内调用。在多线程编程中可以令该数据对象的所有成员函数均为普通的非volatile修饰,从而保证了仅在进入临界区(即获得了互斥锁)后把该对象显式转为普通对象之后才能调用该数据对象的成员函数。这种用法避免了编程者的失误——在临界区以外访问共享对象的内容:
template <typename T> class LockingPtr{
public:
LockingPtr(volatile T& obj, Mutex& mtx)
:pObj_(const_cast<T*>(&obj) ), pMtx_(&mtx)
{ mtx.Lock(); }
~LockingPtr()
{ pMtx->Unlock(); }
T& operator*()
{ return *pObj_; }
T* operator->()
{ return pObj_; }
private:
T* pObj_;
Mutex* pMtx_;
LockingPtr(const LockingPtr&);
LockingPtr& operator=(const LockingPtr&);
}
对于内建类型,不应直接用volatile,而应把它包装为结构的成员,就可以保护了volatile的结构对象不被不受控制地访问.
C语言的例子:
static int foo;
void bar(void) {
foo = 0;
while (foo != 255)
;
}
在这里例子中,代码将foo的值设置为0。然后开始不断地轮询它的值直到它变成255.
void bar_optimized(void) {
foo = 0;
while (true)
;
}
一个执行优化的编译器会提示没有代码能修改foo的值,并假设它永远都只会是0.因此编译器将用类似下列的无限循环替换函数体.
static volatile int foo;
void bar (void) {
foo = 0;
while (foo != 255)
;
}
但是,foo可能指向一个随时都能被计算机系统其他部分修改的地址,例如一个连接到中央处理器的设备的硬件寄存器,上面的代码永远检测不到这样的修改。如果不使用volatile关键字,编译器将假设当前程序是系统中能改变这个值部分(这是到最广泛的一种情况)。 为了阻止编译器像上面那样优化代码,需要使用volatile关键字,这样修改以后循环条件就不会被优化掉,当值改变的时候系统将会检测到。