C++ volatile

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！

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;

}

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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。

 

 

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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。

 

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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

#define A    (* (volatile unsigned long *)   0x48000000 )

      对于不同的计算机体系结构，设备可能是端口映射，也可能是内存映射的。如果系统结构支持独立的IO地址空间，并且是端口映射，就必须使用汇编语言完成实际对设备的控制，因为C语言并没有提供真正的“端口”的概念。如果是内存映射，那就方便的多了。

 

    举个例子，比如像寄存器A（地址假定为0x48000000）写入数据0x01，那么就可以这样设置了。

#define A (*(volatile unsigned long *) 0x48000000 )

...

     A = 0x01;

...

    这实际上就是内存映射机制的方便性了。其中volatile关键字是嵌入式系统开发的一个重要特点。volatile（可变的）这个关键字说明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。这种“意想不到地改变”，不是由程序去改变，而是由硬件去改变。

volatile 限定编译器不对这个指针的指向的存储单元进行优化, 即不用通用寄存器暂时代替这个指针的指向的存储单元,而是每次取值都直接到指针的指向的存储单元取值.volatile 主要用于变量会异步改变的情况下,

主要有三个方面:

1.cpu外设寄存器

2.中断和主循环都会用到的全局变量  

3.操作系统中的线程间都会用到的公共变量.上述表达式拆开来分析，

首先(volatile unsigned long *) 0x48000000的意思是把0x48000000强制转换成volatile unsigned long类型的指针，即对指针的操作的范围是从0x48000000开始的4个字节(long型).暂记为p，那么就是#define A   *p，即A为P指针指向位置的内容了。这里就是通过内存寻址访问到寄存器A，可以读/写操作!

 

 

 

对于不同的计算机体系结构，设备可能是端口映射，也可能是内存映射的。如果系统结构支持独立的IO地址空间，并且是端口映射，就必须使用汇编语言完成实际对设备的控制，因为C语言并没有提供真正的“端口”的概念。如果是内存映射，那就方便的多了。

         以 #define IOPIN           (*((volatile unsigned long *) 0xE0028000))    

为例：作为一个宏定义语句，define是定义一个变量或常量的伪指令。首先（ volatile unsigned long * ）的意思是将后面的那个地址强制转换成 volatile unsigned long * ，unsigned long * 是无符号长整形，volatile 是一个类型限定符，如const一样，当使用volatile限定时，表示这个变量是依赖系统实现的，以为着这个变量会被其他程序或者计算机硬件修改，由于地址依赖于硬件，volatile就表示他的值会依赖于硬件。

        volatile 类型是这样的，其数据确实可能在未知的情况下发生变化。比如，硬件设备的终端更改了它，现在硬件设备往往也有自己的私有内存地址，比如显存，他们一般是通过映象的方式，反映到一段特定的内存地址当中，这样，在某些条件下，程序就可以直接访问这些私有内存了。另外，比如共享的内存地址，多个程序都对它操作的时候。你的程序并不知道，这个内存何时被改变了。如果不加这个voliatile修饰，程序是利用catch当中的数据，那个可能是过时的了，加了 voliatile，就在需要用的时候，程序重新去那个地址去提取，保证是最新的。归纳起来如下：

1. volatile变量可变 允许除了程序之外的比如硬件来修改他的内容   

2. 访问该数据任何时候都会直接访问该地址处内容，即通过cache提高访问速度的优化被取消  

       对于((volatile unsigned long *) 0xE0028000)为随硬件需要定义的一种地址，前面加上“*”指针，为直接指向该地址，整个定义约定符号IOPIN代替，调用的时候直接对指向的地址寄存器写内容既可。这实际上就是内存映射机制的方便性了。其中volatile关键字是嵌入式系统开发的一个重要特点。上述表达式拆开来分析，首先(volatile unsigned long *) 0xE0028000的意思是把0xE0028000强制转换成volatile unsigned long类型的指针，暂记为p，那么就是#define A *p，即A为P指针指向位置的内容了。这里就是通过内存寻址访问到寄存器A，可以读/写操作。

对于(volatile unsigned char *)0x20我们再分析一下，它是由两部分组成： 

1）（unsigned char *)0x20，0x20只是个值，前面加（unsigned char *)表示0x20是个地址，而且这个地址类型是unsigned char ，意思是说读写这个地址时，要写进unsigned char 的值，读出也是unsigned char 。 

2）volatile，关键字volatile 确保本条指令不会因C 编译器的优化而被省略，且要求每次直接读值。例如用 while(（unsigned char *)0x20）时，有时系统可能不真正去读0x20的值，而是用第一次读出的值，如果这样，那这个循环可能是个死循环。用了volatile 则要求每次都去读0x20的实际值。 

 

那么(volatile unsigned char *)0x20是一个固定的指针，是不可变的，不是变量。而char  *u则是个指针变量。 

再在前面加"*"：*(volatile unsigned char *)0x20则变成了变量（普通的unsigned char变量，不是指针变量），如果#define i (*(volatile unsigned char *)0x20),那么与unsigned char i是一样了，只不过前面的i的地址是固定的。 

 

那么你的问题就可解答了，(*(volatile unsigned char *)0x20)可看作是一个普通变量，这个变量有固定的地址，指向0x20。而0x20只是个常量，不是指针更不是变量。