嵌入式C语言中的关键字volatile

嵌入式C语言中的关键字volatile

一. volatile关键字的概念

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。
volatile关键字是一种类型修饰符，用它声明的类型变量表示不可以被某些编译器未知的因素更改（优化）。volatile提醒编译器它后面所定义的变量随时都有可能改变，因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候，都会直接从变量地址中读取数据，而不是从寄存器或者缓存中去读取数据。

二. 不使用volatile关键字

如果没有volatile关键字，则编译器可能优化读取和存储，可能暂时使用寄存器中的值，如果这个变量由别的程序更新了的话，将出现不一致的现象。所以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。

三. 编译器优化介绍

由于内存访问速度远不及CPU处理速度，为提高机器整体性能，在硬件上引入硬件高速缓存Cache，加速对内存的访问。另外在现代CPU中指令的执行并不一定严格按照顺序执行，没有相关性的指令可以乱序执行，以充分利用CPU的指令流水线，提高执行速度。以上是硬件级别的优化。
再看软件一级的优化：一种是在编写代码时由程序员优化，另一种是由编译器进行优化。编译器优化常用的方法有：将内存变量缓存到寄存器；调整指令顺序充分利用CPU指令流水线，常见的是重新排序读写指令。 对常规内存进行优化的时候，这些优化是透明的，而且效率很好。
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。

四. volatile详解

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作减少存取内存的优化，但有可能会读脏数据。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。精确地说就是，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volatile，则编译器将对所声明的语句进行优化。（简洁的说就是：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）

五. 编译器优化举例

我们先来看下面的两个例子。

1）例：没有volatile关键字的优化

int i = 10;
int main(void){
    int a, b;
    a = i;
    ...//伪代码，里面不含有对 a 、 b 以及i的操作
    b = i;
    if(a == b){
        printf("a = b");
    }
    else {
        printf("a != b");
    }
    return 0;
}

int i = 10;
int main(void){
    int a, b;
    a = i;
    ...//伪代码，里面不含有对 a 、 b 以及 i的操作
    b = i;
    printf("a = b");
    return 0;
}

在仅仅从main主函数来看，a == b是必然的，那么在什么情况，a 和 b不是必然相等呢？答案如下。

1. i 是其他子线程与主线程共享的全局变量，其他子线程有可能修改 i 值；
2. i 是中断函数与主函数共享的全局变量，中断函数有可能修改 i 值；
3. i 属于硬件寄存器，CPU可能通过硬件直接改变 i 的值（例如寄存器的标志位）
   也就说，如果满足了上面三个条件中的任何一个，那么就有可能出现a!=b的情况。这个时候为了防止编译器不必要的优化手段，就可以引入关键字volatile。

2）例：volatile关键字对形参的优化

int square(volatile int *ptr) 
{ 
    return *ptr * *ptr; 
} 

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; 
}

六. volatile关键字使用

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。
volatile 常见的几个问题：
1、一个参数既可以是const还可以是volatile吗？
可以，例如只读的状态寄存器。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、一个指针可以是 volatile 吗？
可以，当一个服务子程序修改一个指向一个 buffer 的指针时
3、C语言编译过程中，volatile关键字和extern关键字分别在哪个阶段起作用
volatile应该是在编译阶段，extern在链接阶段。
volatile关键字的作用是防止变量被编译器优化，而优化是处于编译阶段，所以volatile关键字是在编译阶段起作用。

七. 总结

总结一下，如果不使用volatile，编译器可以更好的为我们优化代码，优化为性能或者效率更好的执行代码。但反过来，如果频繁地使用volatile很可能会增加代码尺寸和降低性能,因此要合理的使用volatile。
具体在嵌入式开发过程当中，有以下两种用法：
1）告诉compiler不能做任何优化
比如要往某一地址送两指令：
代码如下:

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。
2）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。
如复制代码 代码如下:

volatile char a;   
a=0; 
while(!a) { 
    //do some things;   
}   
doother(); 
//如果没有 volatile则doother()不会被执行（编译器优化a的读取 认为a的值不改变恒为0）