C语言应用笔记（四）：C语言volatile关键字及其使用

在 C 语言中，还有一个并不常用但却非常有用的关键字 volatile。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，进一步可以消除一些代码。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 的本意是“易变的” ，因为访问寄存器要比访问内存单元快的多，所以编译器一般都会做减少存取内存的优化，但有可能会读错数据。当要求使用 volatile 声明变量值的时候，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。

切确的说就是：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；如果不使用 valatile，则编译器将对所声明的语句进行优化。

简单的说就是：volatile 关键词影响编译器编译的结果，用 volatile 声明的变量表示该变量随时可能发生变化，与该变量有关的运算，不要进行编译优化，以免出错。

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

对外部硬件而言，上述四条语句分别代表不同的操作，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），如果使用 volatile 关键字修饰，则编译器会逐一地进行编译并产生相应的机器代码（四条机器代码）。

 

那么，在什么情况下使用 volatile 关键字呢？一般而言，以下几种情况通常会使用 volatile 关键字：

a. 在中断服务程序中修改的、供其他程序检测的变量，通常需要加 volatile；

b. 在多任务环境下，各任务间共享的标志，通常也需要加 volatile；

c. 存储器映射的硬件寄存器通常也需要加 volatile，因为每次对它的读写都可能有不同的意义。

 

（1）使用中断改变对象值的情况

我们在中断服务程序中操作了某个对象，例如改变了一个变量的值，而在其他程序中我们希望通过这个变量值的改变去进行一些操作。在这个时候，我们使用和不使用 volatile 关键字，可能会得到截然不同的结果。

如果我们将变量定义为：

static int var=0;

然后在中断服务程序中将其修改为：

var = 1;

但是在另一程序中使用它但不会修改它，那么编译器会认为它没有变化，从而直接使用寄存器中的副本。

如果我们将变量定义为：

volatile int var=0;

那么结果就完全不同了，每次在函数中使用 var 变量时，都会重新读取，而不会使用寄存器中的副本。

 

（2）多任务共享标志的情况

多任务共享时，其实也是一样的，在一个任务中修改了一个对象后，在另一个对象中应用它，但是编译器并没有发现在该任务中对它有修改。由于访问寄存器的速度比 RAM 要快，所以编译器一般都会做减少存取外部RAM的优化，从而并不能响应在另一任务下的变化。

在这种情况下，一般都需要使用 volatile 关键字来修饰任务间共享的标识。

 

（3）硬件寄存器内存映射的情况

内存映射的情况是非常多的，比如我们将外设的寄存器映射到内存的某一段区域；再比如我们通过 DMA 方式将数据直接写到内存中的某一段区域。

由于外部的数据都是直接进入内存区域，而程序中需要引用它的值。编译器优化时可能就直接采用寄存器中的副本了。显然这不是我们需要的结果，这时将这段内存对应的变量使用 volatile 关键字修饰，则可保证我们的需求。

 

volatile的本质：

a. 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。

b. 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。

 

综上所述，频繁地使用 volatile 很可能会增加代码尺寸和降低性能，但它却可以保证程序的正确性，所以在合适的地方使用 volatile 关键字是必要的。

 

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