C语言：volatile关键字讲解

 

读音：vaoletail

   C语言中的volatile关键字是一个重要的类型修饰符，它用于声明一个变量具有“易变性”，即可能在编译器无法察觉的情况下被改变其值。Volatile意思是“易变的”，应该解释为“直接存取原始内存地址”比较合适。 “易变”是因为外在因素引起的，像多线程，中断等。

    volatile提醒编译器它后面所定义的变量随时都有可能改变，因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候，告诉编译器对该变量不做优化，都会直接从变量内存地址中读取数据，从而可以提供对特殊地址的稳定访问。

    如果没有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，如果这个变量由别的程序更新了的话，将出现不一致的现象。

总结：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，以免出错。

编译器优化介绍：

　　由于内存访问速度远不及CPU处理速度，为提高机器整体性能。

1）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，没有相关性的指令可以乱序执行，以充分利用CPU的指令流水线，提高执行速度。

2）软件一级的优化：一种是在编写代码时由程序员优化，另一种是由编译器进行优化。编译器优化常用的方法有：将内存变量缓存到寄存器。

由于访问寄存器要比访问内存单元快的多，编译器在存取变量时，为提高存取速度，编译器优化有时会先把变量读取到一个寄存器中；以后再取变量值时就直接从寄存器中取值。但在很多情况下会读取到脏数据，严重影响程序的运行效果。

一般说来，volatile用在如下的几个地方： 
(1)中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量，需要加volatile：当变量在触发某中断程序中修改，而编译器判断主函数里面没有修改该变量，因此可能只执行一次从内存到某寄存器的读操作，而后每次只会从该寄存器中读取变量副本，使得中断程序的操作被短路。
 (2)多线程环境：在多线程编程中，如果多个线程共享并修改某个变量，而该变量的改变不受当前执行线程控制（比如由其他线程、中断服务程序或者硬件本身修改），那么这个变量就应该用volatile来修饰，以保证所有线程都能看到最新更新的值。
(3)硬件访问：与硬件交互时，例如访问状态寄存器或其他硬件映射的内存位置，这些位置的内容可能由硬件设备自行更改，而不通过CPU指令直接操作。在这种情况下，硬件寄存器通常需要被声明为volatile，这样每次访问都会得到最新的硬件状态，而非缓存在寄存器中的旧值。

注意：频繁地使用volatile很可能会增加代码尺寸和降低性能,因此要合理的使用volatile。

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1). 一个参数既可以是const还可以是volatile吗？解释为什么。 

      一个函数参数可以同时被声明const和volatile。当一个参数既被声明为const又为volatile时，它意味着该参数在函数执行期间不可被修改（通过该函数），但其值可能在任何时间点被硬件、操作系统或其他并发线程等不受当前程序控制的因素改变。

例如，在嵌入式系统中，一个指向设备状态寄存器的指针作为函数参数时，它可以被声明为volatile类型。

void checkDeviceStatus(volatile const uint32_t* statusRegister)
{
    // 在此函数中，我们不能修改statusRegister指向的内容
    // 但是我们必须每次都从内存中读取它的实际值，因为它可能随时由外部硬件更改。
    if (*statusRegister & DEVICE_STATUS_FLAG) {
        // 处理设备状态
    }
}

volatile关键字确保编译器不会对statusRegister的内容进行优化，即使多次读取也会每次都直接从内存中读取；而const关键字则禁止函数体内部尝试修改这个寄存器的内容。

2). 一个指针可以是volatile 吗？解释为什么。 

 一个指针不仅可以是volatile，而且在某些情况下必须这样声明。声明为volatile的指针表示其指向的数据可能会被程序外部因素异步更改，即使没有显式的修改语句。

例如，在多线程环境或与硬件交互的场合，某个全局变量可能是通过一个I/O端口或者中断服务程序来更新的，那么指向这个变量的指针就应该声明为volatile。

volatile int *portValue = (volatile int*)0x1000; // 假设0x1000是硬件端口地址
 
// 线程A中读取并处理端口值
while (1) {
    process(*portValue);
}
 
// 线程B中或中断服务例程中端口值被硬件改写
ISR() {
    *portValue = readHardwarePort();
}

volatile修饰符告诉编译器不要对portValue指向的内存位置进行优化，每次访问都需要重新读取内存中的实际值，因为硬件可能会在任何时候更新这个值。

？？？？这个部分没看懂。
　

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int main(void){
    int i;
    i = 1;
    i = 2;
    return i;
}

    在Debug模式(无任何优化)下, 生成的32位汇编代码(省略其它代码)为:

mov dword ptr[ebp-4],1
mov dword ptr[ebp-4],2
mov eax,dword ptr[ebp-4]
ret

        可见, 对i的每次赋值都会产生一条汇编语句来对应, 这完全同C程序意思，而当生成模式改成Release(优化被打开; 可能需要在项目设置中钩上"生成调试信息")后,对应如下(省略其它代码)。

mov eax,2
ret

多余的赋值代码都被优化掉了, 这就是编译器的优化措施。把源代码改成如下形式:

int main(void){
    volatile int i;
    i = 1;
    i = 2;
    return i;
}

    修改后, Debug生成的汇编代码没有变化, 但Release生成的代码却变成了:

        push ecx
        mov dword ptr[esp],1
        mov dword ptr[esp],2
        mov eax,dword ptr[esp]
        pop ecx

        可见, 加了volatile后, 就算打开优化, 编译器也不会作优化, 每次取值都是重新取值。

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参考：

https://www.cnblogs.com/hjh-666/p/11148119.html

https://www.cnblogs.com/memset/archive/2012/12/19/2825530.html

https://www.cnblogs.com/armlinux/archive/2010/09/14/2396918.html