單片機中volatile定義的作用

轉自http://tech.fuwuqi.com.cn/Development/Singlec/2009-09-04/5202847114707.shtml

　一個定義為volatile的變數是說這變數可能會被意想不到地改變，這樣，編譯器就不會去假設這個變數的值了。精確地說就是，最佳化器在用到這個變數時必須每次都小心地重新讀取這個變數的值，而不是使用儲存在寄存器裡的備份。下面是volatile變數的幾個例子：

　　1). 平行裝置的硬體寄存器(如：狀態寄存器)

　　2). 一個中斷服務子程式中會訪問到的非自動變數(Non-automatic variables)

　　3). 多線程應用中被幾個任務共用的變數

　　回答不出這個問題的人是不會被僱傭的。我認為這是區分C程式員和嵌入式系統程式員的最基本的問題。嵌入式系統程式員經常同硬體、中斷、RTOS等等打交道，所用這些都要求volatile變數。不懂得volatile內容將會帶來災難。

　　假設被面試者正確地回答了這是問題(嗯，懷疑這否會是這樣)，我將稍微深究一下，看一下這傢伙是不是直正懂得volatile完全的重要性。

　　1). 一個參數既可以是const還可以是volatile嗎?解釋為什麼。

　　2). 一個指標可以是volatile 嗎?解釋為什麼。

　　3). 下面的函數有什麼錯誤：

　　int square(volatile int *ptr)

　　{

　　return *ptr * *ptr;

　　}

　　下面是答案：

　　1). 是的。一個例子是唯讀狀態寄存器。它是volatile因為它可能被意想不到地改變。它是const因為程式不應該試圖去修改它。

　　2). 是的。儘管這並不很常見。一個例子是當一個中服務子程式修該一個指向一個buffer的指標時。

　　3). 這段代碼的有個惡作劇。這段代碼的目的是用來返指標*ptr指向值的平方，但是，由於*ptr指向一個volatile型參數，編譯器將產生類似下面的代碼：

　　int square(volatile int *ptr)

　　{

　　int a,b;

　　a = *ptr;

　　b = *ptr;

　　return a * b;

　　}

　　由於*ptr的值可能被意想不到地該變，因此a和b可能是不同的。結果，這段代碼可能返不是你所期望的平方值!正確的代碼如下：

　　long square(volatile int *ptr)

　　{

　　int a;

　　a = *ptr;

　　return a * a;

　　}

　　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) dosomething();

　　}

　　}

　　/* 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dosomething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dosomething永遠也不會被調用。如果將將變數加上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。

　　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) dosomething();

　　}

　　}

　　/* 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dosomething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dosomething永遠也不會被

　　調用。如果將將變數加上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。

　　關鍵在於兩個地方：

　　1. 編譯器的最佳化 (請高手幫我看看下面的理解)

　　在本次線程內, 當讀取一個變數時，為提高存取速度，編譯器最佳化時有時會先把變數讀取到一個寄存器中;以後，再取變數值時，就直接從寄存器中取值;

　　當變數值在本線程裡改變時，會同時把變數的新值copy到該寄存器中，以便保持一致

　　當變數在因別的線程等而改變了值，該寄存器的值不會相應改變，從而造成應用程式讀取的值和實際的變數值不一致

　　當該寄存器在因別的線程等而改變了值，原變數的值不會改變，從而造成應用程式讀取的值和實際的變數值不一致

　　舉一個不太準確的例子：

　　發薪資時，會計每次都把員工叫來登記他們的*號;一次會計為了省事，沒有即時登記，用了以前登記的*號;剛好一個員工的*丟了，已掛失該*號;從而造成該員工領不到*

　　員工 -- 原始變數地址

　　*號 -- 原始變數在寄存器的備份

　　2. 在什麼情況下會出現(如1樓所說)

　　1). 平行裝置的硬體寄存器(如：狀態寄存器)

　　2). 一個中斷服務子程式中會訪問到的非自動變數(Non-automatic variables)

　　3). 多線程應用中被幾個任務共用的變數

　　補充： volatile應該解釋為“直接存取原始記憶體位址”比較合適，“易變的”這種解釋簡直有點誤導人;

　　“易變”是因為外在因素引起的，象多線程，中斷等，並不是因為用volatile修飾了的變數就是“易變”了，假如沒有外因，即使用volatile定義，它也不會變化;

　　而用volatile定義之後，其實這個變數就不會因外因而變化了，可以放心使用了; 大家看看前面那種解釋(易變的)是不是在誤導人

　　------------簡明樣本如下：------------------

　　volatile關鍵字是一種類型修飾符，用它聲明的類型變數表示可以被某些編譯器未知的因素更改，比如：作業系統、硬體或者其它線程等。遇到這個關鍵字聲明的變數，編譯器對訪問該變數的代碼就不再進行最佳化，從而可以提供對特殊地址的穩定訪問。

使用該關鍵字的例子如下：

　　int volatile nVint;

　　>>>>當要求使用volatile 聲明的變數的值的時候，系統總是重新從它所在的記憶體讀取資料，即使它前面的指令剛剛從該處讀取過資料。而且讀取的資料立刻被儲存。

　　例如：

　　volatile int i=10;

　　int a = i;

　　...

　　//其他代碼，並未明確告訴編譯器，對i進行過操作

　　int b = i;

　　>>>>volatile 指出 i是隨時可能發生變化的，每次使用它的時候必須從i的地址中讀取，因而編譯器產生的彙編代碼會重新從i的地址讀取資料放在b中。而最佳化做法是，由於編譯器發現兩次從i讀資料的代碼之間的代碼沒有對i進行過操作，它會自動把上次讀的資料放在b中。而不是重新從i裡面讀。這樣以來，如果i是一個寄存器變數或者表示一個連接埠資料就容易出錯，所以說volatile可以保證對特殊地址的穩定訪問。

　　>>>>注意，在vc6中，一般偵錯模式沒有進行代碼最佳化，所以這個關鍵字的作用看不出來。下面通過插入彙編代碼，測試有無volatile關鍵字，對程式最終代碼的影響：

　　>>>>首先，用classwizard建一個win32 console工程，插入一個voltest.cpp檔案，輸入下面的代碼：

　　>>

　　#include

　　void main()

　　{

　　int i=10;

　　int a = i;

　　printf("i= %d",a);

　　//下面彙編語句的作用就是改變記憶體中i的值，但是又不讓編譯器知道

　　__asm {

　　mov dword ptr [ebp-4], 20h

　　}

　　int b = i;

　　printf("i= %d",b);

　　}

　　然後，在調試版本模式運行程式，輸出結果如下：

　　i = 10

　　i = 32

　　然後，在release版本模式運行程式，輸出結果如下：

　　i = 10

　　i = 10

　　輸出的結果明顯表明，release模式下，編譯器對代碼進行了最佳化，第二次沒有輸出正確的i值。下面，我們把 i的聲明加上volatile關鍵字，看看有什麼變化：

　　#include

　　void main()

　　{

　　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);

　　}

　　分別在調試版本和release版本運行程式，輸出都是：

　　i = 10

　　i = 32

　　這說明這個關鍵字發揮了它的作用!

　　------------------------------------

　　volatile對應的變數可能在你的程式本身不知道的情況下發生改變

　　比如多線程的程式，共同訪問的記憶體當中，多個程式都可以操縱這個變數

　　你自己的程式，是無法判定合適這個變數會發生變化

　　還比如，他和一個外部裝置的某個狀態對應，當外部裝置發生操作的時候，通過驅動程式和中斷事件，系統改變了這個變數的數值，而你的程式並不知道。

　　對於volatile類型的變數，系統每次用到他的時候都是直接從對應的記憶體當中提取，而不會利用cache當中的原有數值，以適應它的未知何時會發生的變化，系統對這種變數的處理不會做最佳化——顯然也是因為它的數值隨時都可能變化的情況。

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　　典型的例子

　　for ( int i=0; i<100000; i++);

　　這個語句用來測試空迴圈的速度的

　　但是編譯器肯定要把它最佳化掉，根本就不執行

　　如果你寫成

　　for ( volatile int i=0; i<100000; i++);

　　它就會執行了