arm 基礎：詳解C中volatile關鍵字

  volatile提醒編譯器它後面所定義的變數隨時都有可能改變，因此編譯後的程式每次需要儲存或讀取這個變數的時候，都會直接從變數地址中讀取資料。如果沒有volatile關鍵字，則編譯器可能最佳化讀取和儲存，可能暫時使用寄存器中的值，如果這個變數由別的程式更新了的話，將出現不一致的現象。下面舉例說明。在DSP開發中，經常需要等待某個事件的觸發，所以經常會寫出這樣的程式：
short flag;
void test()
{
　　do1();
　　while(flag==0);
　　do2();
}

    這段程式等待記憶體變數flag的值變為1(懷疑此處是0,有點疑問,)之後才運行do2()。變數flag的值由別的程式更改，這個程式可能是某個硬體中斷服務程式。例如：如果某個按鈕按下的話，就會對DSP產生中斷，在按鍵中斷程式中修改flag為1，這樣上面的程式就能夠得以繼續運行。但是，編譯器並不知道flag的值會被別的程式修改，因此在它進行最佳化的時候，可能會把flag的值先讀入某個寄存器，然後等待那個寄存器變為1。如果不幸進行了這樣的最佳化，那麼while迴圈就變成了死迴圈，因為寄存器的內容不可能被中斷服務程式修改。為了讓程式每次都讀取真正flag變數的值，就需要定義為如下形式：
volatile short flag;
    需要注意的是，沒有volatile也可能能正常運行，但是可能修改了編譯器的最佳化層級之後就又不能正常運行了。因此經常會出現debug版本正常，但是release版本卻不能正常的問題。所以為了安全起見，只要是等待別的程式修改某個變數的話，就加上volatile關鍵字。

volatile的本意是“易變的”
      由於訪問寄存器的速度要快過RAM，所以編譯器一般都會作減少存取外部RAM的最佳化。比如：
static int i=0;
int main(void)
{
　　...
　　while (1)
　　{
　　　　if (i) do_something();
　　}
}
/* Interrupt service routine. */
void ISR_2(void)
{
　　i=1;
}
    程式的本意是希望ISR_2中斷產生時，在main當中調用do_something函數，但是，由於編譯器判斷在main函數裡面沒有修改過i，因此可能只執行一次對從i到某寄存器的讀操作，然後每次if判斷都只使用這個寄存器裡面的“i副本”，導致do_something永遠也不會被調用。如果變數加上volatile修飾，則編譯器保證對此變數的讀寫操作都不會被最佳化（肯定執行）。此例中i也應該如此說明。
    一般說來，volatile用在如下的幾個地方：

　　1、中斷服務程式中修改的供其它程式檢測的變數需要加volatile；
　　2、多任務環境下各任務間共用的標誌應該加volatile；
　　3、儲存空間映射的硬體寄存器通常也要加volatile說明，因為每次對它的讀寫都可能由不同意義；

另外，以上這幾種情況經常還要同時考慮資料的完整性（相互關聯的幾個標誌讀了一半被打斷了重寫），在1中可以通過關中斷來實現，2中可以禁止任務調度，3中則只能依靠硬體的良好設計了。

二、volatile 的含義
     volatile總是與最佳化有關，編譯器有一種技術叫做資料流分析，剖析器中的變數在哪裡賦值、在哪裡使用、在哪裡失效，分析結果可以用於常量合并，常量傳播等最佳化，進一步可以無作用程式碼消除。但有時這些最佳化不是程式所需要的，這時可以用volatile關鍵字禁止做這些最佳化，volatile的字面含義是易變的，它有下面的作用： 
1 不會在兩個操作之間把volatile變數緩衝在寄存器中。在多任務、中斷、甚至setjmp環境下，變數可能被其他的程式改變，編譯器自己無法知道，volatile就是告訴編譯器這種情況。
2 不做常量合并、常量傳播等最佳化，所以像下面的代碼： 
　　volatile int i = 1; 
　　if (i > 0) ... 
　　if的條件不會當作無條件真。 
3 對volatile變數的讀寫不會被最佳化掉。如果你對一個變數賦值但後面沒用到，編譯器常常可以省略那個賦值操作，然而對Memory Mapped IO的處理是不能這樣最佳化的。 
    前面有人說volatile可以保證對記憶體操作的原子性，這種說法不大準確，其一，x86需要LOCK首碼才能在SMP下保證原子性，其二，RISC根本不能對記憶體直接運算，要保證原子性得用別的方法，如atomic_inc。 
    對於jiffies，它已經聲明為volatile變數，我認為直接用jiffies++就可以了，沒必要用那種複雜的形式，因為那樣也不能保證原子性。 
    你可能不知道在Pentium及後續CPU中，下面兩組指令 
　　inc jiffies 
　　;; 
　　mov jiffies, %eax 
　　inc %eax 
　　mov %eax, jiffies 
　　作用相同，但一條指令反而不如三條指令快。

三、編譯器最佳化 → C關鍵字volatile → memory破壞描述符zz

    “memory”比較特殊，可能是內嵌彙編中最難懂部分。為解釋清楚它，先介紹一下編譯器的最佳化知識，再看C關鍵字volatile。最後去看該描述符。 
1、編譯器最佳化介紹 
     記憶體訪問速度遠不及CPU處理速度，為提高機器整體效能，在硬體上引入硬體快取Cache，加速對記憶體的訪問。另外在現代CPU中指令的執行並不一定嚴格按照順序執行，沒有相關性的指令可以亂序執行，以充分利用CPU的指令流水線，提高執行速度。以上是硬體層級的最佳化。再看軟體一級的最佳化：一種是在編寫代碼時由程式員最佳化，另一種是由編譯器進行最佳化。編譯器最佳化常用的方法有：將記憶體變數緩衝到寄存器；調整指令順序充分利用CPU指令流水線，常見的是重新排序讀寫指令。對常規記憶體進行最佳化的時候，這些最佳化是透明的，而且效率很好。由編譯器最佳化或者硬體重新排序引起的問題的解決辦法是在從硬體（或者其他處理器）的角度看必須以特定順序執行的操作之間設定記憶體屏障（memory barrier），linux 提供了一個宏解決編譯器的執行順序問題。 
void Barrier(void) 
     這個函數通知編譯器插入一個記憶體屏障，但對硬體無效，編譯後的代碼會把當前CPU寄存器中的所有修改過的數值存入記憶體，需要這些資料的時候再重新從記憶體中讀出。 
2、C語言關鍵字volatile 
     C語言關鍵字volatile（注意它是用來修飾變數而不是上面介紹的__volatile__）表明某個變數的值可能在外部被改變，因此對這些變數的存取不能緩衝到寄存器，每次使用時需要重新存取。該關鍵字在多線程環境下經常使用，因為在編寫多線程的程式時，同一個變數可能被多個線程修改，而程式通過該變數同步各個線程，例如： 
DWORD __stdcall threadFunc(LPVOID signal) 
{ 
　　int* intSignal=reinterpret_cast<int*>(signal); 
　　*intSignal=2; 
　　while(*intSignal!=1) 
　　sleep(1000); 
　　return 0; 
} 
     該線程啟動時將intSignal 置為2，然後迴圈等待直到intSignal 為1 時退出。顯然intSignal的值必須在外部被改變，否則該線程不會退出。但是實際啟動並執行時候該線程卻不會退出，即使在外部將它的值改為1，看一下對應的偽彙編代碼就明白了： 
　　mov ax,signal 
　　label: 
　　if(ax!=1) 
　　goto label 
     對於C編譯器來說，它並不知道這個值會被其他線程修改。自然就把它cache在寄存器裡面。記住，C 編譯器是沒有線程概念的！這時候就需要用到volatile。volatile 的本意是指：這個值可能會在當前線程外部被改變。也就是說，我們要在threadFunc中的intSignal前面加上volatile關鍵字，這時候，編譯器知道該變數的值會在外部改變，因此每次訪問該變數時會重新讀取，所作的迴圈變為如下面偽碼所示： 
　　label: 
　　mov ax,signal 
　　if(ax!=1) 
　　goto label 
3、Memory 
      有了上面的知識就不難理解Memory修改描述符了，Memory描述符告知GCC： 
　　1）不要將該段內嵌彙編指令與前面的指令重新排序；也就是在執行內嵌彙編代碼之前，它前面的指令都執行完畢 
　　2）不要將變數緩衝到寄存器，因為這段代碼可能會用到記憶體變數，而這些記憶體變數會以不可預知的方式發生改變，因此GCC插入必要的代碼先將緩衝到寄存器的變數值寫回記憶體，如果後面又訪問這些變數，需要重新訪問記憶體。 
     如果彙編指令修改了記憶體，但是GCC 本身卻察覺不到，因為在輸出部分沒有描述，此時就需要在修改描述部分增加“memory”，告訴GCC 記憶體已經被修改，GCC 得知這個資訊後，就會在這段指令之前，插入必要的指令將前面因為最佳化Cache 到寄存器中的變數值先寫回記憶體，如果以後又要使用這些變數再重新讀取。 
     使用“volatile”也可以達到這個目的，但是我們在每個變數前增加該關鍵字，不如使用“memory”方便。

四、volatile使用注意

　　

#include <stdio.h>#include <cstdlib>void test(int &k) {          k = 4;}int main() {     volatile int a = 2, flag = 0;     a=3;     // test(a); 如果不注釋掉會出現編譯錯誤。這說明被 volatile 修飾的變數不能實現地址傳遞。      // int *ptr; ptr = a; 編譯器也會報錯。      printf("%d \n",a);     while(flag == 0) {             system("pause");             flag = 1;     }     return 0;}