關鍵字volatile的作用和三個不同的應用場合

學習Ｃ關鍵詞的時候，我們看到了一個新面孔——volatile。在程式員面試寶典中提到“關鍵字volatile的面試例題是考查嵌入式編程”，中間有一段解析：

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。搞嵌入式的傢伙們經常同硬體、中斷、RTOS等等打交道，所有這些都要求用到volatile變數。不懂得volatile的內容將會帶來災難。 假設被面試者正確地回答了這是問題（嗯，懷疑是否會是這樣），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。

下面我們來看下寶典中提到的問題：

關鍵字volatile有什麼含意?並給出三個不同的例子。

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，但有可能會讀髒資料。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。

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從記憶體裡讀取這個變數的值，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

在這裡要說下，其實不僅僅是平行裝置的硬體寄存器，串列裝置的硬體寄存器也行，也就是說只要是硬體寄存器都需要這麼做，當我們不能確保寄存器裡的值一定不會變的情況下就需要使用volatile。看下面的例子，2410addr.h是所有寄存器中的標頭檔，其中就有很多volatile的應用，下面列出一個宏定義出來：

#define rURXH0 (*(volatile unsigned char *)0x50000024) //UART 0 Receive buffer

這個就是串列的接收ｂｕｆｆｅｒ，其地址為0x50000024，如果我們沒有將這個地址強行轉換成volatile，那麼我們在使用rURXH0時，可能直接從cpu的寄存器中取值。因為之前rURXH0被訪問過，也就是說之前就從記憶體中取出rURXH0的值儲存到 某個寄存器中。之所以直接從寄存器中取值，而不去記憶體中取值，是因為編譯器最佳化代碼的結果（訪問cpu寄存器比訪問ram快的多）。用volatile關鍵字對0x50000024進行強制轉換，使得每一次被訪問rURXH0時，執行組件都會從0x50000024這個記憶體單元中取出值來賦值給rURXH0。

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。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。所以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。

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。

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。在曹老師的《volatile在多線程中的應用》一文中也舉例說明了volatile在多線程中的應用。