linux 原子整数操做详解 及 volatile

volatile的中文意思—-易变的。在C语言中，volatile是一个类型修饰符（type specifier），volatile修饰的变量是说这个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，编译器的优化器在 用到这个变量时必须每次都当心地从新从内存中读取这个变量的值，而不是使用保存在寄存器里的备份。

http://zh.wikipedia.org/wiki/Volatile%E5%8F%98%E9%87%8F

volatile关键字用来阻止（伪）编译器对那些它认为变量的值不能“被代码自己”改变的      代码上执行任何优化。

在C，以及C++中，volatile关键字的做用^[1]：

• 容许访问内存映射设备

• 容许在setjmp和longjmp之间使用变量

• 容许在信号处理函数中使用sig_atomic_t变量

  volatile 关键字是一种类型修饰符，用它声明的类型变量表示能够被某些编译器未知的因素更改，好比：操做系统、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再也不进行优化，从而能够提供对特殊地址的稳定访问。声明时语法：int volatile vInt; 当要求使用 volatile 声明的变量的值的时候，系统老是从新从它所在的内存读取数据，即便它前面的指令刚刚从该处读取过数据。并且读取的数据马上被保存。例如：

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1.编译器优化介绍：

由 于内存访问速度远不及CPU处理速度，为提升机器总体性能，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，没有相关性的指令能够乱序执行，以充分利用CPU的指令流水线，提升执行速度。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，另外一种是由编译器进行优化。编译器优化经常使用的方法有：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，常见的是从新排序读写指令。对常规内存进行优化的时候，这些优化是透明的，并且效率很好。由编译器优化或者硬件从新排序引发的问题的解决办法是 在从硬件（或者其余处理器）的角度看必须以特定顺序执行的操做之间设置内存屏障（memory barrier），linux 提供了一个宏解决编译器的执行顺序问题。

void Barrier(void)

这个函数通知编译器插入一个内存屏障，但对硬件无效，编译后的代码会把当前CPU寄存器中的全部修改过的数值存入内存，须要这些数据的时候再从新从内存中读出。

2.volatile 老是与优化有关，编译器有一种技术叫作数据流分析，分析程序中的变量在哪里赋值、在哪里使用、在哪里失效，分析结果能够用于常量合并，常量传播等优化，进 一步能够消除一些代码。但有时这些优化不是程序所须要的，这时能够用volatile关键字禁止作这些优化。

二.volatile详解：

1.volatile的本意是“易变的” 由于访问寄存器要比访问内存单元快的多,因此编译器通常都会做减小存取内存的优化，但有可能会读脏数据。当要求使用volatile声明变量值的时候，系统老是从新从它所在的内存读取数据， 即便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再也不进行优化，从而能够提供对特殊地址的稳 定访问；若是不使用valatile，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，以避免出错）

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2.看两个事例：

1>告诉compiler不能作任何优化

好比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可能作优化而成：
int *ip = ...;
*ip = 2;
结果第一个指令丢失。若是用volatile, compiler就不容许作任何的优化，从而保证程序的原意：
volatile int *ip = ...;
*ip = 1;
*ip = 2;
即便你要compiler作优化，它也不会把两次付值语句间化为一。它只能作其它的优化。

2>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，而不能重复使用放在cache或寄存器中的备份。

例如：

volatile char a;

a=0;

while(!a){

//do some things;

}

doother();

若是没有 volatiledoother()不会被执行

3.下面是使用volatile变量的几个场景：

1>中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量须要加volatile；

例如:

static int i=0;

int main(void)

{

    ...

    while (1){

if (i) dosomething();

}

｝

/* Interrupt service routine. */

void ISR_2(void)

{

     i=1;

}

程 序的本意是但愿ISR_2中断产生时，在main函数中调用dosomething函数，可是，因为编译器判断在main函数里面没有修改过i，所以可能 只执行一次对从i到某寄存器的读操做，而后每次if判断都只使用这个寄存器里面的“i副本”，致使dosomething永远也不会被调用。若是将变量加 上volatile修饰，则编译器保证对此变量的读写操做都不会被优化（确定执行）。此例中i也应该如此说明。

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一般也要加voliate，由于每次对它的读写均可能有不一样意义。

例如：

假设要对一个设备进行初始化，此设备的某一个寄存器为0xff800000。

int  *output = (unsigned  int *)0xff800000;//定义一个IO端口；

int   init(void)

{

     int i;

     for(i=0;i< 10;i++){

        *output = i;

}

}

通过编译器优化后，编译器认为前面循环半天都是废话，对最后的结果毫无影响，由于最终只是将output这个指针赋值为9，因此编译器最后给你编译编译的代码结果至关于：

int  init(void)

{

     *output = 9;

}

如 果你对此外部设备进行初始化的过程是必须是像上面代码同样顺序的对其赋值，显然优化过程并不能达到目的。反之若是你不是对此端口反复写操做，而是反复读操 做，其结果是同样的，编译器在优化后，也许你的代码对此地址的读操做只作了一次。然而从代码角度看是没有任何问题的。这时候就该使用volatile通知 编译器这个变量是一个不稳定的，在遇到此变量时候不要优化。

例如：

volatile  int *output=(volatile unsigned int *)0xff800000;//定义一个I/O端口

另外，以上这几种状况常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中能够经过关中断来实现，2中禁止任务调度，3中则只能依靠硬件的良好设计。

4.几个问题

1)一个参数既能够是const还能够是volatile吗？

能够的，例如只读的状态寄存器。它是volatile由于它可能被意想不到地改变。它是const由于程序不该该试图去修改它。

2) 一个指针能够是volatile 吗？

能够，当一个中服务子程序修该一个指向一个buffer的指针时。

5.volatile的本质：

1> 编译器的优化

在本次线程内, 当读取一个变量时，为提升存取速度，编译器优化时有时会先把变量读取到一个寄存器中；之后，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，从而形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，从而形成应用程序读取的值和实际的变量值不一致。

2>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。

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C++关键字：mutable、volatile、explicit以及__based

mutable关键字

    关键字mutable是C＋＋中一个不经常使用的关键字,他只能用于类的非静态和很是量数据成员咱们知道一个对象的状态由该对象的非静态数据成员决定,因此随着数据成员的改变,对像的状态也会随之发生变化!

若是一个类的成员函数被声明为const类型,表示该函数不会改变对象的状态,也就是该函数不会修改类的非静态数据成员.可是有些时候须要在该类函数中对类的数据成员进行赋值.这个时候就须要用到mutable关键字了

class CDemo {
public:
    CDemo(){}
    virtual ~CDemo(){}
public:
    bool getFlag() const
    {
        m_nAccess ++;
        return m_bFlag;
    }
private:
    int m_nAccess;
    bool m_bFlag;
};

编译上面的代码会出现 error C2166: l-value specifies const object的错误说明在const类型的函数中改变了类的非静态数据成员.这个时候须要使用mutable来修饰一下要在const成员函数中改变的非静态数据成员

m_nAccess,代码以下:

class CDemo {
public:
    CDemo(){}
    virtual ~CDemo(){}
public:
    bool getFlag() const
    {
        m_nAccess ++;
        return m_bFlag;
    }
private:
    mutable int m_nAccess;
    bool m_bFlag;
};

volatile关键字    类型修饰符
volatile是c/c＋＋中一个不为人知的关键字,该关键字告诉编译器不要持有变量在寄存器中的临时拷贝,它能够适用于基础类型如：int,char,long......也适用于C的结构和C＋＋的类。当对结构或者类对象使用volatile修饰的时候，结构或者类的全部 成员都会被视为volatile.使用volatile并不会否认对CRITICAL_SECTION,Mutex,Event等同步对象的须要 .
例如：
int i; i= i+3； 不管如何，老是会有一小段时间，i会被放在一个寄存器中，由于算术运算只能在寄存器中进行。通常来讲，volatitle关键字适用于行与行之间，而不是放在行内。 咱们先来实现一个简单的函数，来观察一下由编译器产生出来的汇编代码中的不足之处，并观察volatile关键字如何修正这个不足之处。在这个函数体内存在一个busy loop(所谓busy loop也叫作busy waits,是一种高度浪费CPU时间的循环方法) void getKey(char* pch) {  while (*pch == 0); } explicit关键字 咱们在编写应用程序的时候explicit关键字基本上是不多使用,它的做用是"禁止单参数构造函数"被用于自动型别转换,其中比较典型的例子就是容器类型,在这种类型的构造函数中你能够将初始长度做为参数传递给构造函数. 例如: 你能够声明这样一个构造函数 class Array { public:  explicit Array(int size);   }; 在这里explicit关键字起着相当重要的做用,若是没有这个关键字的话,这个构造函数有能力将int转换成Array.一旦这种状况发生,你能够给Array支派一个整数值而不会引发任何的问题,好比: Array arr; arr = 40; 此时,C＋＋的自动型别转换会把40转换成拥有40个元素的Array,而且指派给arr变量,这个结果根本就不是咱们想要的结果.若是咱们将构造函数声明为explicit,上面的赋值操做就会致使编译器报错,使咱们能够及时发现错误.须要注意的是:explicit一样也能阻止"以赋值语法进行带有转型操做的初始化"; Array arr(40);//正确 Array arr = 40;//错误 __based关键字 该关键字主要用来解决一些和共享内存有关的问题,它容许指针被定义为从某一点开始算的32位偏移值,而不是内存中的绝对位置 举个例子: