今夜IT网

 找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

搜索
查看: 1076|回复: 0

C语言 volatile用法

[复制链接]
发表于 2012-2-12 20:38:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
嵌入式编程中经常用到 volatile这个关键字,在网上查了下他的用法可以归结为以下两点:

一:告诉compiler不能做任何优化

   比如要往某一地址送两指令:  

   int   *ip   =...;   //设备地址  

   *ip   =   1;   //第一个指令  

   *ip   =   2;   //第二个指令  

   以上程序compiler可能做优化而成:  

   int   *ip   =   ...;  

   *ip   =   2;  

   结果第一个指令丢失。如果用volatile, compiler就不允许做任何的优化,从而保证程序的原意:  

   volatile   int   *ip   =   ...;  

   *ip   =   1;  

   *ip   =   2;  

   即使你要compiler做优化,它也不会把两次付值语句间化为一。它只能做其它的优化。这对device   driver程序员很有用。

二:表示用volatile定义的变量会在程序外被改变,每次都必须从内存中读取,而不能把他放在cache或寄存器中重复使用。

   如  volatile   char   a;   

       a=0;  

       while(!a){  

          //do   some   things;   

      }   

      doother();  

   如果没有   volatile   doother()不会被执行



   volatile关键字是一种类型修饰符,用它声明的类型变量表示可以被某些编译器未知的因素更改。

用volatile关键字声明的变量i每一次被访问时,执行部件都会从i相应的内存单元中取出i的值。

没有用volatile关键字声明的变量i在被访问的时候可能直接从cpu的寄存器中取值(因为之前i被访问过,也就是说之前就从内存中取出i 的值保存到某个寄存器中),之所以直接从寄存器中取值,而不去内存中取值,是因为编译器优化代码的结果(访问cpu寄存器比访问ram快的多)。

以上两种情况的区别在于被编译成汇编代码之后,两者是不一样的。之所以这样做是因为变量i可能会经常变化,保证对特殊地址的稳定访问。

volatile关键字是一种类型修饰符,用它声明的类型变量表示可以被某些编译器未知的因素更改,比如:操作系统、硬件或者其它线程等。遇到这个关键字声明的变量,编译器对访问该变量的代码就不再进行优化,从而可以提供对特殊地址的稳定访问。

使用该关键字的例子如下:

int volatile nVint;

当要求使用volatile 声明的变量的值的时候,系统总是重新从它所在的内存读取数据,即使它前面的指令刚刚从该处读取过数据。而且读取的数据立刻被保存。

例如:

volatile int i=10;

int a = i;

...

//其他代码,并未明确告诉编译器,对i进行过操作

int b = i;

volatile 指出 i是随时可能发生变化的,每次使用它的时候必须从i的地址中读取,因而编译器生成的汇编代码会重新从i的地址读取数据放在b中。而优化做法是,由于编译器发现两次从i读数据的代码之间的代码没有对i进行过操作,它会自动把上次读的数据放在b中。而不是重新从i里面读。这样以来,如果i是一个寄存器变量或者表示一个端口数据就容易出错,所以说volatile可以保证对特殊地址的稳定访问。

注意,在vc6中,一般调试模式没有进行代码优化,所以这个关键字的作用看不出来。下面通过插入汇编代码,测试有无volatile关键字,对程序最终代码的影响:

首先,用classwizard建一个win32 console工程,插入一voltest.cpp文件,输入下面的

代码:

#include <stdio.h>

void main()

{

int i=10;

int a = i;

printf( "i= %d/n",a);

//下面汇编语句的作用就是改变内存中i的值,但是又不让编译器知道

__asm {

mov dword ptr [ebp-4], 20h

}

int b = i;

printf("i= %d/n",b);

}

然后,在调试版本模式运行程序,输出结果如下:

i = 10

i = 32

然后,在release版本模式运行程序,输出结果如下:

i = 10

i = 10

输出的结果明显表明,release模式下,编译器对代码进行了优化,第二次没有输出正确的i值。

下面,我们把 i的声明加上volatile关键字,看看有什么变化:

#include <stdio.h>

void main()

{

volatile int i=10;

int a = i;

printf( "i= %d/n",a);

__asm {

mov dword ptr [ebp-4], 20h

}

int b = i;

printf("i= %d/n",b);

}

分别在调试版本和release版本运行程序,输出都是:

i = 10

i = 32

这说明这个关键字发挥了它的作用!



源文档 <http://my.oschina.net/xiaoyunhu/blog/6272>





一个定义为volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变,这样,编译器就不会去假设这个变量的值了。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(Non-automatic variables)

3)  多线程应用中被几个任务共享的变量

回答不出这个问题的人是不会被雇佣的。我认为这是区分C程序员和嵌入式系统程序员的最基本的问题。嵌入式系统程序员经常同硬件、中断、RTOS等等打交道,这些都要求volatile变量。不懂得volatile内容将会带来灾难。

假设被面试者正确地回答了这是问题(嗯,怀疑是否会是这样),我将稍微深究一下,看一下这家伙是不是直正完全懂得volatile的重要性。

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指向一个buffer的指针时。

3) 这段代码里有个恶作剧。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)

{

  int a,b;

  a = *ptr;

  b = *ptr;

  return a * b;

}

由于*ptr的值可能被意想不到地该变,因此a和b可能是不同的。结果,这段代码可能返回值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的本意是“易变的”

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();

  }

}



/* Interrupt service routine. */

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。



一般说来,volatile用在如下的几个地方:

1、中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量需要加volatile;

2、多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile;

3、存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile说明,因为每次对它的读写都可能有不同意义;



另外,以上这几种情况经常还要同时考虑数据的完整性(相互关联的几个标志读了一半被打断了重写),在1中可以通过有关中断来实现,2中可以禁止任务调度,3中则只能依靠硬件的良好设计了。



volatile 的含义

volatile总是与优化有关,编译器有一种技术叫做数据流分析,分析程序中的变量在哪里赋值、在哪里使用、在哪里失效,分析结果可以用于常量合并,常量传播等优化,进一步可以使代码消除。但有时这些优化不是程序所需要的,这时可以用volatile关键字禁止做这些优化,volatile的字面含义是易变的,它有下面的作用:



1、不会在两个***作之间把volatile变量缓存在寄存器中。在多任务、中断、甚至setjmp环境下,变量可能被其他的程序改变,编译器自己无法知道,volatile就是告诉编译器这种情况。



2、不做常量合并、常量传播等优化,所以像下面的代码:

volatile int i = 1;

if (i > 0) ...



if的条件不会当作无条件真。



3、对volatile变量的读写不会被优化掉。如果你对一个变量赋值但后面没用到,编译器常常可以省略那个赋值***作,然而对Memory Mapped IO的处理是不能这样优化的。



前面有人说volatile可以保证对内存操作的原子性,这种说法不大准确,其一,x86需要LOCK前缀才能在SMP下保证原子性,其二,RISC根本不能对内存直接运算,要保证原子性得用别的方法,如atomic_inc。



对于jiffies,它已经声明为volatile变量,我认为直接用jiffies++就可以了,没必要用那种复杂的形式,因为那样也不能保证原子性。



你可能不知道在Pentium及后续CPU中,下面两组指令:



inc jiffies

;;

mov jiffies, %eax

inc %eax

mov %eax, jiffies



作用相同,但一条指令反而不如三条指令快。





================================================================================



关键在于两个地方:



1、编译器的优化



在本线程内,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





2、在什么情况下会出现



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(Non-automatic variables)

3) 多线程应用中被几个任务共享的变量





补充:volatile应该解释为“直接存取原始内存地址”比较合适,“易变的”这种解释简直有点误导人;

“易变”是因为外在因素引起的,象多线程,中断等,并不是因为用volatile修饰了的变量就是“易变”了,假如没有外因,即使用volatile定义,它也不会变化;

而用volatile定义之后,其实这个变量就不会因外因而变化了,可以放心使用了;大家看看前面那种解释(易变的)是不是在误导人。





volatile对应的变量可能在你的程序本身不知道的情况下发生改变,比如多线程的程序,共同访问的内存当中,多个程序都可以操纵这个变量,你自己的程序,是无法判定这个变量会发生变化;还比如,他和一个外部设备的某个状态对应,当外部设备发生操作的时候,通过驱动程序和中断事件,系统改变了这个变量的数值,而你的程序并不知道。

对于volatile类型的变量,系统每次用到他的时候都是直接从对应的内存当中提取,而不会利用cache当中的原有数值,以适应它的未知何时会发生的变化,系统对这种变量的处理不会做优化——显然也是因为它的数值随时都可能变化的情况。



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



典型的例子:

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



源文档 <http://gyy.javaeye.com/blog/166678>
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

快速回复 返回列表 官方QQ群

QQ|小黑屋|手机版|今夜IT网 (京ICP备11034012号) 

Powered by Discuz! X3.2

快速回复 返回顶部 返回列表