詳解C中volatile關鍵字

 volatile提醒編譯器它後面所定義的變量隨時都有可能改變，所以編譯後的程序每次須要存儲或讀取這個變量的時候，都會直接從變量地址中讀取數據。若是沒有volatile關鍵字，則編譯器可能優化讀取和存儲，可能暫時使用寄存器中的值，若是這個變量由別的程序更新了的話，將出現不一致的現象。下面舉例說明。在DSP開發中，常常須要等待某個事件的觸發，因此常常會寫出這樣的程序：
short flag;
void test()
{
do1();
while(flag==0);
do2();
}

    這段程序等待內存變量flag的值變爲1(懷疑此處是0,有點疑問,)以後才運行do2()。變量flag的值由別的程序更改，這個程序多是某個硬件中斷服務程序。例如：若是某個按鈕按下的話，就會對DSP產生中斷，在按鍵中斷程序中修改flag爲1，這樣上面的程序就可以得以繼續運行。可是，編譯器並不知道flag的值會被別的程序修改，所以在它進行優化的時候，可能會把flag的值先讀入某個寄存器，而後等待那個寄存器變爲1。若是不幸進行了這樣的優化，那麼while循環就變成了死循環，由於寄存器的內容不可能被中斷服務程序修改。爲了讓程序每次都讀取真正flag變量的值，就須要定義爲以下形式：
volatile short flag;
    須要注意的是，沒有volatile也可能能正常運行，可是可能修改了編譯器的優化級別以後就又不能正常運行了。所以常常會出現debug版本正常，可是release版本卻不能正常的問題。因此爲了安全起見，只要是等待別的程序修改某個變量的話，就加上volatile關鍵字。

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) do_something();
}
}
/* 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do_something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do_something永遠也不會被調用。若是變量加上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。
2、volatile 的含義
     volatile老是與優化有關，編譯器有一種技術叫作數據流分析，分析程序中的變量在哪裏賦值、在哪裏使用、在哪裏失效，分析結果能夠用於常量合併，常量傳播等優化，進一步能夠死代碼消除。但有時這些優化不是程序所須要的，這時能夠用volatile關鍵字禁止作這些優化，volatile的字面含義是易變的，它有下面的做用： 
 1 不會在兩個操做之間把volatile變量緩存在寄存器中。在多任務、中斷、甚至setjmp環境下，變量可能被其餘的程序改變，編譯器本身沒法知道，volatile就是告訴編譯器這種狀況。
2 不作常量合併、常量傳播等優化，因此像下面的代碼： 
volatile int i = 1; 
if (i > 0) ... 
if的條件不會看成無條件真。 
3 對volatile變量的讀寫不會被優化掉。若是你對一個變量賦值但後面沒用到，編譯器經常能夠省略那個賦值操做，然而對Memory Mapped IO的處理是不能這樣優化的。 
    前面有人說volatile能夠保證對內存操做的原子性，這種說法不大準確，其一，x86須要LOCK前綴才能在SMP下保證原子性，其二，RISC根本不能對內存直接運算，要保證原子性得用別的方法，如atomic_inc。 
    對於jiffies，它已經聲明爲volatile變量，我認爲直接用jiffies++就能夠了，不必用那種複雜的形式，由於那樣也不能保證原子性。 
    你可能不知道在Pentium及後續CPU中，下面兩組指令 
inc jiffies 
;; 
mov jiffies, %eax 
inc %eax 
mov %eax, jiffies 
做用相同，但一條指令反而不如三條指令快。
3、編譯器優化 → C關鍵字volatile → memory破壞描述符zz

    「memory」比較特殊，多是內嵌彙編中最難懂部分。爲解釋清楚它，先介紹一下編譯器的優化知識，再看C關鍵字volatile。最後去看該描述符。 
一、編譯器優化介紹 
     內存訪問速度遠不及CPU處理速度，爲提升機器總體性能，在硬件上引入硬件高速緩存Cache，加速對內存的訪問。另外在現代CPU中指令的執行並不必定嚴格按照順序執行，沒有相關性的指令能夠亂序執行，以充分利用CPU的指令流水線，提升執行速度。以上是硬件級別的優化。再看軟件一級的優化：一種是在編寫代碼時由程序員優化，另外一種是由編譯器進行優化。編譯器優化經常使用的方法有：將內存變量緩存到寄存器；調整指令順序充分利用CPU指令流水線，常見的是從新排序讀寫指令。對常規內存進行優化的時候，這些優化是透明的，並且效率很好。由編譯器優化或者硬件從新排序引發的問題的解決辦法是在從硬件（或者其餘處理器）的角度看必須以特定順序執行的操做之間設置內存屏障（memory barrier），linux 提供了一個宏解決編譯器的執行順序問題。 
void Barrier(void) 
     這個函數通知編譯器插入一個內存屏障，但對硬件無效，編譯後的代碼會把當前CPU寄存器中的全部修改過的數值存入內存，須要這些數據的時候再從新從內存中讀出。 
二、C語言關鍵字volatile 
     C語言關鍵字volatile（注意它是用來修飾變量而不是上面介紹的__volatile__）代表某個變量的值可能在外部被改變，所以對這些變量的存取不能緩存到寄存器，每次使用時須要從新存取。該關鍵字在多線程環境下常用，由於在編寫多線程的程序時，同一個變量可能被多個線程修改，而程序經過該變量同步各個線程，例如： 
DWORD __stdcall threadFunc(LPVOID signal) 
{ 
int* intSignal=reinterpret_cast<int*>(signal); 
*intSignal=2; 
while(*intSignal!=1) 
sleep(1000); 
return 0; 
} 
     該線程啓動時將intSignal 置爲2，而後循環等待直到intSignal 爲1 時退出。顯然intSignal的值必須在外部被改變，不然該線程不會退出。可是實際運行的時候該線程卻不會退出，即便在外部將它的值改成1，看一下對應的僞彙編代碼就明白了： 
mov ax,signal 
label: 
if(ax!=1) 
goto label 
     對於C編譯器來講，它並不知道這個值會被其餘線程修改。天然就把它cache在寄存器裏面。記住，C 編譯器是沒有線程概念的！這時候就須要用到volatile。volatile 的本意是指：這個值可能會在當前線程外部被改變。也就是說，咱們要在threadFunc中的intSignal前面加上volatile關鍵字，這時候，編譯器知道該變量的值會在外部改變，所以每次訪問該變量時會從新讀取，所做的循環變爲以下面僞碼所示： 
label: 
mov ax,signal 
if(ax!=1) 
goto label 
三、Memory 
      有了上面的知識就不難理解Memory修改描述符了，Memory描述符告知GCC： 
1）不要將該段內嵌彙編指令與前面的指令從新排序；也就是在執行內嵌彙編代碼以前，它前面的指令都執行完畢 
2）不要將變量緩存到寄存器，由於這段代碼可能會用到內存變量，而這些內存變量會以不可預知的方式發生改變，所以GCC插入必要的代碼先將緩存到寄存器的變量值寫回內存，若是後面又訪問這些變量，須要從新訪問內存。 
     若是彙編指令修改了內存，可是GCC 自己卻察覺不到，由於在輸出部分沒有描述，此時就須要在修改描述部分增長「memory」，告訴GCC 內存已經被修改，GCC 得知這個信息後，就會在這段指令以前，插入必要的指令將前面由於優化Cache 到寄存器中的變量值先寫回內存，若是之後又要使用這些變量再從新讀取。 
     使用「volatile」也能夠達到這個目的，可是咱們在每一個變量前增長該關鍵字，不如使用「memory」方便。