详解C中volatile关键字

 volatile提醒编译器它后面所定义的变量随时都有可能改变，所以编译后的程序每次须要存储或读取这个变量的时候，都会直接从变量地址中读取数据。若是没有volatile关键字，则编译器可能优化读取和存储，可能暂时使用寄存器中的值，若是这个变量由别的程序更新了的话，将出现不一致的现象。下面举例说明。在DSP开发中，常常须要等待某个事件的触发，因此常常会写出这样的程序：
short flag;
void test()
{
do1();
while(flag==0);
do2();
}

    这段程序等待内存变量flag的值变为1(怀疑此处是0,有点疑问,)以后才运行do2()。变量flag的值由别的程序更改，这个程序多是某个硬件中断服务程序。例如：若是某个按钮按下的话，就会对DSP产生中断，在按键中断程序中修改flag为1，这样上面的程序就可以得以继续运行。可是，编译器并不知道flag的值会被别的程序修改，所以在它进行优化的时候，可能会把flag的值先读入某个寄存器，而后等待那个寄存器变为1。若是不幸进行了这样的优化，那么while循环就变成了死循环，由于寄存器的内容不可能被中断服务程序修改。为了让程序每次都读取真正flag变量的值，就须要定义为以下形式：
volatile short flag;
    须要注意的是，没有volatile也可能能正常运行，可是可能修改了编译器的优化级别以后就又不能正常运行了。所以常常会出现debug版本正常，可是release版本却不能正常的问题。因此为了安全起见，只要是等待别的程序修改某个变量的话，就加上volatile关键字。

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) do_something();
}
}
/* 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do_something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do_something永远也不会被调用。若是变量加上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。
2、volatile 的含义
     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，进一步能够死代码消除。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，volatile的字面含义是易变的，它有下面的做用： 
 1 不会在两个操做之间把volatile变量缓存在寄存器中。在多任务、中断、甚至setjmp环境下，变量可能被其余的程序改变，编译器本身没法知道，volatile就是告诉编译器这种状况。
2 不作常量合并、常量传播等优化，因此像下面的代码： 
volatile int i = 1; 
if (i > 0) ... 
if的条件不会看成无条件真。 
3 对volatile变量的读写不会被优化掉。若是你对一个变量赋值但后面没用到，编译器经常能够省略那个赋值操做，然而对Memory Mapped IO的处理是不能这样优化的。 
    前面有人说volatile能够保证对内存操做的原子性，这种说法不大准确，其一，x86须要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++就能够了，不必用那种复杂的形式，由于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 
做用相同，但一条指令反而不如三条指令快。
3、编译器优化 → C关键字volatile → memory破坏描述符zz

    “memory”比较特殊，多是内嵌汇编中最难懂部分。为解释清楚它，先介绍一下编译器的优化知识，再看C关键字volatile。最后去看该描述符。 
一、编译器优化介绍 
     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中指令的执行并不必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。 
二、C语言关键字volatile 
     C语言关键字volatile（注意它是用来修饰变量而不是上面介绍的__volatile__）代表某个变量的值可能在外部被改变，所以对这些变量的存取不能缓存到寄存器，每次使用时须要从新存取。该关键字在多线程环境下常用，由于在编写多线程的程序时，同一个变量可能被多个线程修改，而程序经过该变量同步各个线程，例如： 
DWORD __stdcall threadFunc(LPVOID signal) 
{ 
int* intSignal=reinterpret_cast<int*>(signal); 
*intSignal=2; 
while(*intSignal!=1) 
sleep(1000); 
return 0; 
} 
     该线程启动时将intSignal 置为2，而后循环等待直到intSignal 为1 时退出。显然intSignal的值必须在外部被改变，不然该线程不会退出。可是实际运行的时候该线程却不会退出，即便在外部将它的值改成1，看一下对应的伪汇编代码就明白了： 
mov ax,signal 
label: 
if(ax!=1) 
goto label 
     对于C编译器来讲，它并不知道这个值会被其余线程修改。天然就把它cache在寄存器里面。记住，C 编译器是没有线程概念的！这时候就须要用到volatile。volatile 的本意是指：这个值可能会在当前线程外部被改变。也就是说，咱们要在threadFunc中的intSignal前面加上volatile关键字，这时候，编译器知道该变量的值会在外部改变，所以每次访问该变量时会从新读取，所做的循环变为以下面伪码所示： 
label: 
mov ax,signal 
if(ax!=1) 
goto label 
三、Memory 
      有了上面的知识就不难理解Memory修改描述符了，Memory描述符告知GCC： 
1）不要将该段内嵌汇编指令与前面的指令从新排序；也就是在执行内嵌汇编代码以前，它前面的指令都执行完毕 
2）不要将变量缓存到寄存器，由于这段代码可能会用到内存变量，而这些内存变量会以不可预知的方式发生改变，所以GCC插入必要的代码先将缓存到寄存器的变量值写回内存，若是后面又访问这些变量，须要从新访问内存。 
     若是汇编指令修改了内存，可是GCC 自己却察觉不到，由于在输出部分没有描述，此时就须要在修改描述部分增长“memory”，告诉GCC 内存已经被修改，GCC 得知这个信息后，就会在这段指令以前，插入必要的指令将前面由于优化Cache 到寄存器中的变量值先写回内存，若是之后又要使用这些变量再从新读取。 
     使用“volatile”也能够达到这个目的，可是咱们在每一个变量前增长该关键字，不如使用“memory”方便。