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【C语言笔记】volatile关键字

volatile的作用

volatile的作用是作为指令关键字,确保本条指令不会因编译器的优化而省略,且要求每次直接读值。

简单地说就是防止编译器对代码进行优化。比如如下程序:

XBYTE[2]=0x55;
XBYTE[2]=0x56;
XBYTE[2]=0x57;
XBYTE[2]=0x58;

对外部硬件而言,上述四条语句分别表示不同的操作,会产生四种不同的动作,但是编译器却会对上述四条语句进行优化,认为只有XBYTE[2]=0x58(即忽略前三条语句,只产生一条机器代码)。如果键入volatile,则编译器会逐一地进行编译并产生相应的机器代码(产生四条代码)。

编译器的优化

在本次线程内,当读取一个变量时,为提高存取速度,编译器优化时有时会先把变量读取到一个寄存器中;以后再取变量值时,就直接从寄存器中取值;

当变量值在本线程里改变时,会同时把变量的新值copy到该寄存器中,以便保持一致 当变量在因别的线程等而改变了值,该寄存器的值不会相应改变,从而造成应用程序读取的值和实际的变量值不一致;

当该寄存器在因别的线程等而改变了值,原变量的值不会改变,从而造成应用程序读取的值和实际的变量值不一致。

举一个不太准确的例子: 发薪资时,会计每次都把员工叫来登记他们的银行卡号;一次会计为了省事,没有即时登记,用了以前登记的银行卡号;刚好一个员工的银行卡丢了,已挂失该银行卡号;从而造成该员工领不到工资。 员工 -- 原始变量地址 银行卡号 -- 原始变量在寄存器的备份

volatile例子

精确地说就是,优化器在用到这个变量时必须每次都小心地重新读取这个变量的值,而不是使用保存在寄存器里的备份。下面是volatile变量的几个例子:

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

请看下面几个问题:

1)一个参数既可以是const还可以是volatile吗?解释为什么。 2)一个指针可以是volatile 吗?解释为什么。 3)下面的函数有什么错误: int square(volatile int ptr) { return ((ptr) * (*ptr)); }

下面是答案:

1)是的。一个例子是只读的状态寄存器。它是volatile因为它可能被意想不到地改变。它是const因为程序不应该试图去修改它。

2)是的。尽管这并不很常见。一个例子是当一个中断服务子程序修改一个指向一个buffer的指针时。

3)这段代码是个恶作剧。这段代码的目的是用来返指针ptr指向值的平方,但是,由于ptr指向一个volatile型参数,编译器将产生类似下面的代码:

int square(volatile int* &ptr)//这里参数应该申明为引用,不然函数体里只会使用副本,外部没法更改
{
   int a,b;
   a = *ptr;
   b = *ptr;
   return a*b;
}

由于*ptr的值可能在两次取值语句之间发生改变,因此a和b可能是不同的。结果,这段代码可能返回的不是你所期望的平方值!正确的代码如下:

long square(volatile int*ptr)
{
   int a;
   a = *ptr;
   return a*a;
}

volatile在嵌入式中经常用到。如:

(1)宏定义寄存器:

#define PINSEL0 (*((volatile unsigned long*)0xE002C000))

(2)宏读写操作:

// 写操作
#define write8b(addr, data) *(volatile unsigned char* (addr))=(unsigned char)data
// 读操作
#define read(addr) (*(volatile unsigned char* (addr)))

(3)测试空循环的速度

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

这个语句用来测试空循环的速度的,但是编译器肯定要把它优化掉,根本就不执行。 如果你写成

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

它就会执行了。

(4)中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量 由于访问寄存器的速度要快过RAM,所以编译器一般都会作减少存取外部RAM的优化。比如:

static int i = 0;
int main(void)
{
    //...
    while(1)
    {
        if(i)
            dosomething();
    }
}
/*Interruptserviceroutine.*/
void ISR_2(void)
{
    i=1;
}

程序的本意是希望ISR_2中断产生时,在main当中调用dosomething函数,但是,由于编译器判断在main函数里面没有修改过i,因此可能只执行一次对从i到某寄存器的读操作,然后每次if判断都只使用这个寄存器里面的“i副本”,导致dosomething永远也不会被调用。

如果将变量加上volatile修饰,则编译器保证对此变量的读写操作都不会被优化(肯定执行)。此例中i也应该如此说明。

嵌入式系统中涉及到硬件、中断、RTOS等,所有这些都要求使用volatile变量,可能被意想不到地改变。

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