volatile在嵌入式系统中的用法

      今天参加一家公司的嵌入式C语言笔试，其中有道主观题谈到在嵌入式系统中volatile变量的用法。平时学习C语言没怎么用到，只用到过static和extern的变量，很惭愧没答上来。嵌入式C语言笔试常常会出现的题目有：

     一、区分指针常量与常量数组

     二、char *p = "hello"与char a[]="hello"的区别。

     三、大小端问题

     四、字节对齐问题

     五、const的做用、static的做用\extern的做用

     六、进程与线程的区别

     七、Linux进程间通信方式有哪几种，简述它们各自的特色。

     八、指针问题，必考。

     九、中断函数与通常函数的区别

     等等。这些一般会以代码的形式或者问答的形式考查。

     因而上网搜了一下答案，看到了两篇博客，总结得不错，因而就转载了其中的一篇，内容以下：

     这篇文章转载自ITeye博主qinpan214的博客

volitate

 

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当心地从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。嵌入式系统程序员常常同硬件、中断、RTOS等等打交道，所用这些都要求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，怀疑这否会是这样），我将稍微深究一下，看一下这家伙是否是直正懂得volatile彻底的重要性。
    1). 一个参数既能够是const还能够是volatile吗？解释为何。
    2). 一个指针能够是volatile 吗？解释为何。
    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). 是的。尽管这并不很常见。一个例子是当一个中服务子程序修该一个指向一个buffer的指针时。
    3). 这段代码的有个恶做剧。这段代码的目的是用来返指针*ptr指向值的平方，可是，因为*ptr指向一个volatile型参数，编译器将产生相似下面的代码：
    int square(volatile int *ptr) 
    {
         int a,b;
         a = *ptr;
         b = *ptr;
         return a * b;
     }
    因为*ptr的值可能被意想不到地该变，所以a和b多是不一样的。结果，这段代码可能返不是你所指望的平方值！正确的代码以下：
     long square(volatile int *ptr) 
     {
            int a;
            a = *ptr;
            return a * a;
     }

讲讲个人理解： （欢迎打板子...~~！）

关键在于两个地方：     
 
1. 编译器的优化  (请高手帮我看看下面的理解)

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 


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，用了之前登记的银行卡号；恰好一个员工的银行卡丢了，已挂失该银行卡号；从而形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. 在什么状况下会出现(如1楼所说)

    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”是由于外在因素引发的，象多线程，中断等，并非由于用volatile修饰了的变量就是“易变”了，假如没有外因，即便用volatile定义，它也不会变化；

而用volatile定义以后，其实这个变量就不会因外于是变化了，能够放心使用了； 你们看看前面那种解释（易变的）是否是在误导人


－－－－－－－－－－－－简明示例以下：－－－－－－－－－－－－－－－－－－

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。
使用该关键字的例子以下：
int volatile nVint;
>>>>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：
volatile int i=10;
int a = i;
...
//其余代码，并未明确告诉编译器，对i进行过操做
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，于是编译器生成的汇编代码会从新从i的地址读取数据放在b中。而优化作法是，因为编译器发现两次从i读数据的代码之间的代码没有对i进行过操做，它会自动把上次读的数据放在b中。而不是从新从i里面读。这样以来，若是i是一个寄存器变量或者表示一个端口数据就容易出错，因此说volatile能够保证对特殊地址的稳定访问。
>>>>注意，在vc6中，通常调试模式没有进行代码优化，因此这个关键字的做用看不出来。下面经过插入汇编代码，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，插入一个voltest.cpp文件，输入下面的代码：
>>
＃i nclude <stdio.h>
void main()
{
int i=10;
int a = i;
printf("i= %d",a);
//下面汇编语句的做用就是改变内存中i的值，可是又不让编译器知道
__asm {
mov dword ptr [ebp-4], 20h
}
int b = i;
printf("i= %d",b);
}      
而后，在调试版本模式运行程序，输出结果以下：
i = 10
i = 32
而后，在release版本模式运行程序，输出结果以下：
i = 10
i = 10
输出的结果明显代表，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，咱们把 i的声明加上volatile关键字，看看有什么变化：
＃i nclude <stdio.h>
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做用！

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volatile对应的变量可能在你的程序自己不知道的状况下发生改变
好比多线程的程序，共同访问的内存当中，多个程序均可以操纵这个变量
你本身的程序，是没法断定合适这个变量会发生变化
还好比，他和一个外部设备的某个状态对应，当外部设备发生操做的时候，经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，以适应它的未知什么时候会发生的变化，系统对这种变量的处理不会作优化——显然也是由于它的数值随时均可能变化的状况。

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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
可是编译器确定要把它优化掉，根本就不执行
若是你写成 
for ( volatile int i=0; i<100000; i++);
它就会执行了

volatile的本意是“易变的” 
因为访问寄存器的速度要快过RAM，因此编译器通常都会做减小存取外部RAM的优化。好比：

static int i=0;

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

/* Interrupt service routine. */
void ISR_2(void)
{
i=1;
}

程序的本意是但愿ISR_2中断产生时，在main当中调用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。

通常说来，volatile用在以下的几个地方：

一、中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量须要加volatile；

二、多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile；

三、存储器映射的硬件寄存器一般也要加volatile说明，由于每次对它的读写均可能由不一样意义；

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中能够禁止任务调度，3中则只能依靠硬件的良好设计了。

volatile+

volatile 强调读同步（优化器在用到这个变量时必须每次都当心地从新读取这个变量的值） 而synchronized 强调读写同步