volatile 關鍵字

就象你們更熟悉的const同樣，volatile是一個類型修飾符（type specifier）。它是被設計用來修飾被不一樣線程訪問和修改的變量。若是沒有volatile，基本上會致使這樣的結果：要麼沒法編寫多線程程序，要麼編譯器失去大量優化的機會。

      一個定義爲volatile的變量是說這變量可能會被意想不到地改變，這樣，編譯器就不會去假設這個變量的值了。精確地說就是，優化器在用到這個變量時必須每次都當心地從新讀取這個變量的值，而不是使用保存在寄存器裏的備份。下面是volatile變量的幾個例子：

　　1). 並行設備的硬件寄存器（如：狀態寄存器） 

　　2). 一箇中斷服務子程序中會訪問到的非自動變量(Non-automatic variables) 

　　3). 多線程應用中被幾個任務共享的變量

 

　　1). 一個參數既能夠是const還能夠是volatile嗎？解釋爲何。

　　2). 一個指針能夠是volatile 嗎？解釋爲何。 

　　3). 下面的函數有什麼錯誤：

　　int square(volatile int *ptr)

　　{

　　return *ptr * *ptr;

　　}

 

　　下面是答案：

　　1). 是的。一個例子是隻讀的狀態寄存器。它是volatile由於它可能被意想不到地改變。它是const由於程序不該該試圖去修改它。

　　2). 是的。儘管這並不很常見。一個例子是當一箇中斷服務子程序修改一個指向一個buffer的指針時。

　　3). 這段代碼是個惡做劇。這段代碼的目的是用來返指針*ptr指向值的平方，可是，因爲*ptr指向一個volatile型參數，編譯器將產生相似下面的代碼：

　　int square(volatile int *ptr)

　　{

　　　　int a,b;

　　　　a = *ptr;

　　　　b = *ptr;

　　　　return a * b;

　　}

　　因爲*ptr的值可能被意想不到地該變（並非由於是volatile纔可能被意想不到的被改變，而是由於肯被意想不到的被改變才定義爲volatile），所以a和b多是不一樣的。結果，這段代碼可能返不是你所指望的平方值！正確的代碼以下：

　　long square(volatile int *ptr)

　　{

　　　　int a;

　　　　a = *ptr;

　　　　return a * a;

　　}

  關鍵在於兩個地方：

 

1. 編譯器的優化 (請高手幫我看看下面的理解)

    在本次線程內, 當讀取一個變量時，爲提升存取速度，編譯器優化時有時會先把變量讀取到一個寄存器中；之後，再取變量值時，就直接從寄存器中取值；

　當變量值在本線程裏改變時，會同時把變量的新值copy到該寄存器中，以便保持一致

　當變量在因別的線程等而改變了值，該寄存器的值不會相應改變，從而形成應用程序讀取的值和實際的變量值不一致

　當該寄存器在因別的線程等而改變了值，原變量的值不會改變，從而形成應用程序讀取的值和實際的變量值不一致

 

2. 在什麼狀況下會出現(如1樓所說)

　　1). 並行設備的硬件寄存器（如：狀態寄存器）

　　2). 一箇中斷服務子程序中會訪問到的非自動變量(Non-automatic variables)

　　3). 多線程應用中被幾個任務共享的變量

　　補充： volatile應該解釋爲「直接存取原始內存地址」比較合適，「易變的」這種解釋簡直有點誤導人；

　　「易變」是由於外在因素引發的，象多線程，中斷等，並非由於用volatile修飾了的變量就是「易變」了，假如沒有外因，即便用volatile定義，它也不會變化；

　　而用volatile定義以後，其實這個變量就不會因外於是變化了，能夠放心使用了

 

　　－－－－－－－－－－－－簡明示例以下：－－－－－－－－－－－－－－－－－－

 

　　volatile關鍵字是一種類型修飾符，用它聲明的類型變量表示能夠被某些編譯器未知的因素更改，好比：操做系統、硬件或者其它線程等。遇到這個關鍵字聲明的變量，編譯器對訪問該變量的代碼就再也不進行優化，從而能夠提供對特殊地址的穩定訪問。 

　　使用該關鍵字的例子以下：

　　int volatile nVint;

　　>>>>當要求使用volatile 聲明的變量的值的時候，系統老是從新從它所在的內存讀取數據，即便它前面的指令剛剛從該處讀取過數據。並且讀取的數據馬上被保存。

　　例如：

　　volatile int i=10;

　　int a = i;

　　...

　　//其餘代碼，並未明確告訴編譯器，對i進行過操做

　　int b = i; 

　　>>>>volatile 指出 i是隨時可能發生變化的，每次使用它的時候必須從i的地址中讀取，於是編譯器生成的彙編代碼會從新從i的地址讀取數據放在b中。而優化作法是，因爲編譯器發現兩次從i讀數據的代碼之間的代碼沒有對i進行過操做，它會自動把上次讀的數據放在b中。而不是從新從i裏面讀。這樣以來，若是i是一個寄存器變量或者表示一個端口數據就容易出錯，因此說volatile能夠保證對特殊地址的穩定訪問。

　　>>>>注意，在vc6中，通常調試模式沒有進行代碼優化，因此這個關鍵字的做用看不出來。下面經過插入彙編代碼，測試有無volatile關鍵字，對程序最終代碼的影響：

　　void main()

　　{

　　int i=10;

　　int a = i;

　　printf("i= %d",a);

　　//下面彙編語句的做用就是改變內存中i的值，可是又不讓編譯器知道

　　__asm {

　　mov dword ptr [ebp-4], 20h

　　}

　　int b = i;

　　printf("i= %d",b);

　　}

　而後，在調試版本模式運行程序，輸出結果以下：

  　  i = 10

　　i = 32

　而後，在release版本模式運行程序，輸出結果以下：

　　i = 10

　　i = 10

　　輸出的結果明顯代表，release模式下，編譯器對代碼進行了優化，第二次沒有輸出正確的i值。下面，咱們把 i的聲明加上volatile關鍵字，看看有什麼變化：

　　void main()

　　{

　　volatile int i=10;

　　int a = i;

  　　printf("i= %d",a);

　　__asm { 

　　mov dword ptr [ebp-4], 20h 

　　} 

　　int b = i; 

　　printf("i= %d",b); 

　　}

　　分別在調試版本和release版本運行程序，輸出都是：

　　i = 10

　　i = 32

　　這說明這個關鍵字發揮了它的做用！

 

volatile對應的變量可能在你的程序自己不知道的狀況下發生改變

　　好比多線程的程序，共同訪問的內存當中，多個程序均可以操縱這個變量

　　你本身的程序，是沒法斷定什麼時候這個變量會發生變化

　　還好比，他和一個外部設備的某個狀態對應，當外部設備發生操做的時候，經過驅動程序和中斷事件，系統改變了這個變量的數值，而你的程序並不知道。

　　對於volatile類型的變量，系統每次用到他的時候都是直接從對應的內存當中提取，而不會利用cache當中的原有數值，以適應它的未知什麼時候會發生的變化，系統對這種變量的處理不會作優化——顯然也是由於它的數值隨時均可能變化的狀況。

 

典型的例子

　　for ( int i=0; i<100000; i++);

　　這個語句用來測試空循環的速度的　　　　可是編譯器確定要把它優化掉，根本就不執行

　　若是你寫成

　　for ( volatile int i=0; i<100000; i++);　　它就會執行了

　　volatile的本意是「易變的」，因爲訪問寄存器的速度要快過RAM，因此編譯器通常都會做減小存取外部RAM的優化。好比：

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

 
/* Interrupt service routine. */

void ISR_2(void)
{
　　i=1;
}

　　程序的本意是但願ISR_2中斷產生時，在main當中調用dosomething函數，可是，因爲編譯器判斷在main函數裏面沒有修改過i，所以可能只執行一次對從i到某寄存器的讀操做，而後每次if判斷都只使用這個寄存器裏面的「i副本」，致使dosomething永遠也不會被調用。若是將將變量加上volatile修飾，則編譯器保證對此變量的讀寫操做都不會被優化（確定執行）。此例中i也應該如此說明。

　　通常說來，volatile用在以下的幾個地方：

　　一、中斷服務程序中修改的供其它程序檢測的變量須要加volatile；

　　二、多任務環境下各任務間共享的標誌應該加volatile；

　　三、存儲器映射的硬件寄存器一般也要加volatile說明，由於每次對它的讀寫均可能由不一樣意義；

 

　　另外，以上這幾種狀況常常還要同時考慮數據的完整性（相互關聯的幾個標誌讀了一半被打斷了重寫），在1中能夠經過關中斷來實現，2中能夠禁止任務調度，3中則只能依靠硬件的良好設計了。

　　考慮下面的代碼：

class Gadget
{
public:
　　void Wait()
　　{
　　    while (!flag_)
        {
              Sleep(1000); // sleeps for 1000 milliseconds
        }
     }

　　void Wakeup()
　　{
　　    flag_ = true;
　　}
 
private:
　　bool flag_;
};        

　　上面代碼中Gadget::Wait的目的是每過一秒鐘去檢查一下flag_成員變量，當flag_被另外一個線程設爲true時，該函數纔會返回。至少這是程序做者的意圖，然而，這個Wait函數是錯誤的。

　　假設編譯器發現Sleep(1000)是調用一個外部的庫函數，它不會改變成員變量flag_，那麼編譯器就能夠判定它能夠把flag_緩存在寄存器中，之後能夠訪問該寄存器來代替訪問較慢的主板上的內存。這對於單線程代碼來講是一個很好的優化，可是在如今這種狀況下，它破壞了程序的正確性：當你調用了某個Gadget的Wait函數後，即便另外一個線程調用了Wakeup，Wait仍是會一直循環下去。這是由於flag_的改變沒有反映到緩存它的寄存器中去。編譯器的優化未免有點太……樂觀了。

　　在大多數狀況下，把變量緩存在寄存器中是一個很是有價值的優化方法，若是不用的話很惋惜。C和C++給你提供了顯式禁用這種緩存優化的機會。若是你聲明變量是使用了volatile修飾符，編譯器就不會把這個變量緩存在寄存器裏——每次訪問都將去存取變量在內存中的實際位置。這樣你要對Gadget的Wait/Wakeup作的修改就是給flag_加上正確的修飾：

class Gadget
{
public:
　　... as above ...
 
private:
　　volatile bool flag_;
};