單片機中volatile定義的作用詳解

一個(gè)定義為volatile的變量是說(shuō)這變量可能會(huì )被意想不到地改變，這樣，編譯器就不會(huì )去假設這個(gè)變量的值了。精確地說(shuō)就是，優(yōu)化器在用到這個(gè)變量時(shí)必須每次都小心地重新讀取這個(gè)變量的值，而不是使用保存在寄存器里的備份。下面是volatile變量的幾個(gè)例子：
1). 并行設備的硬件寄存器（如：狀態(tài)寄存器）
2). 一個(gè)中斷服務(wù)子程序中會(huì )訪(fǎng)問(wèn)到的非自動(dòng)變量(Non-automatic variables)
3). 多線(xiàn)程應用中被幾個(gè)任務(wù)共享的變量
回答不出這個(gè)問(wèn)題的人是不會(huì )被雇傭的。我認為這是區分C程序員和嵌入式系統程序員的最基本的問(wèn)題。嵌入式系統程序員經(jīng)常同硬件、中斷、RTOS等等打交道，所用這些都要求volatile變量。不懂得volatile內容將會(huì )帶來(lái)災難。
假設被面試者正確地回答了這是問(wèn)題（嗯，懷疑這否會(huì )是這樣），我將稍微深究一下，看一下這家伙是不是直正懂得volatile完全的重要性。
1). 一個(gè)參數既可以是const還可以是volatile嗎？解釋為什么。
2). 一個(gè)指針可以是volatile 嗎？解釋為什么。
3). 下面的函數有什么錯誤：
int square(volatile int *ptr)
{
return *ptr * *ptr;
}
下面是答案：
1). 是的。一個(gè)例子是只讀的狀態(tài)寄存器。它是volatile因為它可能被意想不到地改變。它是const因為程序不應該試圖去修改它。
2). 是的。盡管這并不很常見(jiàn)。一個(gè)例子是當一個(gè)中服務(wù)子程序修該一個(gè)指向一個(gè)buffer的指針時(shí)。
3). 這段代碼的有個(gè)惡作劇。這段代碼的目的是用來(lái)返指針*ptr指向值的平方，但是，由于*ptr指向一個(gè)volatile型參數，編譯器將產(chǎn)生類(lèi)似下面的代碼：
int square(volatile int *ptr)
{
int a,b;
a = *ptr;
b = *ptr;
return a * b;
}
由于*ptr的值可能被意想不到地該變，因此a和b可能是不同的。結果，這段代碼可能返不是你所期望的平方值！正確的代碼如下：
long square(volatile int *ptr)
{
int a;
a = *ptr;
return a * a;
}
volatile的本意是“易變的” 由于訪(fǎng)問(wèn)寄存器的速度要快過(guò)RAM，所以編譯器一般都會(huì )作減少存取外部RAM的優(yōu)化。比如：

static int i=0;

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

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

程序的本意是希望ISR_2中斷產(chǎn)生時(shí)，在main當中調用dosomething函數，但是，由于編譯器判斷在main函數里面沒(méi)有修改過(guò)i，因此 可能只執行一次對從i到某寄存器的讀操作，然后每次if判斷都只使用這個(gè)寄存器里面的“i副本”，導致dosomething永遠也不會(huì )被調用。如果將將變量加上volatile修飾，則編譯器保證對此變量的讀寫(xiě)操作都不會(huì )被優(yōu)化（肯定執行）。此例中i也應該如此說(shuō)明。
一般說(shuō)來(lái)，volatile用在如下的幾個(gè)地方：
1、中斷服務(wù)程序中修改的供其它程序檢測的變量需要加volatile；
2、多任務(wù)環(huán)境下各任務(wù)間共享的標志應該加volatile；
3、存儲器映射的硬件寄存器通常也要加volatile說(shuō)明，因為每次對它的讀寫(xiě)都可能由不同意義；

另外，以上這幾種情況經(jīng)常還要同時(shí)考慮數據的完整性（相互關(guān)聯(lián)的幾個(gè)標志讀了一半被打斷了重寫(xiě)），在1中可以通過(guò)關(guān)中斷來(lái)實(shí)
現，2中可以禁止任務(wù)調度，3中則只能依靠硬件的良好設計了。
volatile的本意是“易變的”
由于訪(fǎng)問(wèn)寄存器的速度要快過(guò)RAM，所以編譯器一般都會(huì )作減少存取外部RAM的優(yōu)化。比如：

static int i=0;

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

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

程序的本意是希望ISR_2中斷產(chǎn)生時(shí)，在main當中調用dosomething函數，但是，由于編譯器判斷在main函數里面沒(méi)有修改過(guò)i，因此
可能只執行一次對從i到某寄存器的讀操作，然后每次if判斷都只使用這個(gè)寄存器里面的“i副本”，導致dosomething永遠也不會(huì )被
調用。如果將將變量加上volatile修飾，則編譯器保證對此變量的讀寫(xiě)操作都不會(huì )被優(yōu)化（肯定執行）。此例中i也應該如此說(shuō)明。

一般說(shuō)來(lái)，volatile用在如下的幾個(gè)地方：

1、中斷服務(wù)程序中修改的供其它程序檢測的變量需要加volatile；

2、多任務(wù)環(huán)境下各任務(wù)間共享的標志應該加volatile；

3、存儲器映射的硬件寄存器通常也要加volatile說(shuō)明，因為每次對它的讀寫(xiě)都可能由不同意義；

另外，以上這幾種情況經(jīng)常還要同時(shí)考慮數據的完整性（相互關(guān)聯(lián)的幾個(gè)標志讀了一半被打斷了重寫(xiě)），在1中可以通過(guò)關(guān)中斷來(lái)實(shí)
現，2中可以禁止任務(wù)調度，3中則只能依靠硬件的良好設計了。
關(guān)鍵在于兩個(gè)地方：

1. 編譯器的優(yōu)化 (請高手幫我看看下面的理解)

在本次線(xiàn)程內, 當讀取一個(gè)變量時(shí)，為提高存取速度，編譯器優(yōu)化時(shí)有時(shí)會(huì )先把變量讀取到一個(gè)寄存器中；以后，再取變量值時(shí)，就直接從寄存器中取值；

當變量值在本線(xiàn)程里改變時(shí)，會(huì )同時(shí)把變量的新值copy到該寄存器中，以便保持一致

當變量在因別的線(xiàn)程等而改變了值，該寄存器的值不會(huì )相應改變，從而造成應用程序讀取的值和實(shí)際的變量值不一致

當該寄存器在因別的線(xiàn)程等而改變了值，原變量的值不會(huì )改變，從而造成應用程序讀取的值和實(shí)際的變量值不一致

舉一個(gè)不太準確的例子：

發(fā)薪資時(shí)，會(huì )計每次都把員工叫來(lái)登記他們的銀行卡號；一次會(huì )計為了省事，沒(méi)有即時(shí)登記，用了以前登記的銀行卡號；剛好一個(gè)員工的銀行卡丟了，已掛失該銀行卡號；從而造成該員工領(lǐng)不到工資

員工 －－ 原始變量地址
銀行卡號 －－ 原始變量在寄存器的備份

2. 在什么情況下會(huì )出現(如1樓所說(shuō))

1). 并行設備的硬件寄存器（如：狀態(tài)寄存器）
2). 一個(gè)中斷服務(wù)子程序中會(huì )訪(fǎng)問(wèn)到的非自動(dòng)變量(Non-automatic variables)
3). 多線(xiàn)程應用中被幾個(gè)任務(wù)共享的變量

補充： volatile應該解釋為“直接存取原始內存地址”比較合適，“易變的”這種解釋簡(jiǎn)直有點(diǎn)誤導人；

“易變”是因為外在因素引起的，象多線(xiàn)程，中斷等，并不是因為用volatile修飾了的變量就是“易變”了，假如沒(méi)有外因，即使用volatile定義，它也不會(huì )變化；

而用volatile定義之后，其實(shí)這個(gè)變量就不會(huì )因外因而變化了，可以放心使用了； 大家看看前面那種解釋?zhuān)ㄒ鬃兊模┦遣皇窃谡`導人

－－－－－－－－－－－－簡(jiǎn)明示例如下：－－－－－－－－－－－－－－－－－－

volatile關(guān)鍵字是一種類(lèi)型修飾符，用它聲明的類(lèi)型變量表示可以被某些編譯器未知的因素更改，比如：操作系統、硬件或者其它線(xiàn)程等。遇到這個(gè)關(guān)鍵字聲明的變量，編譯器對訪(fǎng)問(wèn)該變量的代碼就不再進(jìn)行優(yōu)化，從而可以提供對特殊地址的穩定訪(fǎng)問(wèn)。
使用該關(guān)鍵字的例子如下：
int volatile nVint;
>>>>當要求使用volatile 聲明的變量的值的時(shí)候，系統總是重新從它所在的內存讀取數據，即使它前面的指令剛剛從該處讀取過(guò)數據。而且讀取的數據立刻被保存。
例如：
volatile int i=10;
int a = i;
...
//其他代碼，并未明確告訴編譯器，對i進(jìn)行過(guò)操作
int b = i;
>>>>volatile 指出 i是隨時(shí)可能發(fā)生變化的，每次使用它的時(shí)候必須從i的地址中讀取，因而編譯器生成的匯編代碼會(huì )重新從i的地址讀取數據放在b中。而優(yōu)化做法是，由于編譯器發(fā)現兩次從i讀數據的代碼之間的代碼沒(méi)有對i進(jìn)行過(guò)操作，它會(huì )自動(dòng)把上次讀的數據放在b中。而不是重新從i里面讀。這樣以來(lái)，如果i是一個(gè)寄存器變量或者表示一個(gè)端口數據就容易出錯，所以說(shuō)volatile可以保證對特殊地址的穩定訪(fǎng)問(wèn)。
>>>>注意，在vc6中，一般調試模式?jīng)]有進(jìn)行代碼優(yōu)化，所以這個(gè)關(guān)鍵字的作用看不出來(lái)。下面通過(guò)插入匯編代碼，測試有無(wú)volatile關(guān)鍵字，對程序最終代碼的影響：
>>>>首先，用classwizard建一個(gè)win32 console工程，插入一個(gè)voltest.cpp文件，輸入下面的代碼：
>>
#include stdio.h>
void main()
{
int i=10;
int a = i;
printf(i= %d,a);
//下面匯編語(yǔ)句的作用就是改變內存中i的值，但是又不讓編譯器知道
__asm {
mov dword ptr [ebp-4], 20h
}
int b = i;
printf(i= %d,b);
}
然后，在調試版本模式運行程序，輸出結果如下：
i = 10
i = 32
然后，在release版本模式運行程序，輸出結果如下：
i = 10
i = 10
輸出的結果明顯表明，release模式下，編譯器對代碼進(jìn)行了優(yōu)化，第二次沒(méi)有輸出正確的i值。下面，我們把 i的聲明加上volatile關(guān)鍵字，看看有什么變化：
#include 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);
}
分別在調試版本和release版本運行程序，輸出都是：
i = 10
i = 32
這說(shuō)明這個(gè)關(guān)鍵字發(fā)揮了它的作用！

volatile對應的變量可能在你的程序本身不知道的情況下發(fā)生改變
比如多線(xiàn)程的程序，共同訪(fǎng)問(wèn)的內存當中，多個(gè)程序都可以操縱這個(gè)變量
你自己的程序，是無(wú)法判定合適這個(gè)變量會(huì )發(fā)生變化
還比如，他和一個(gè)外部設備的某個(gè)狀態(tài)對應，當外部設備發(fā)生操作的時(shí)候，通過(guò)驅動(dòng)程序和中斷事件，系統改變了這個(gè)變量的數值，而你的程序并不知道。
對于volatile類(lèi)型的變量，系統每次用到他的時(shí)候都是直接從對應的內存當中提取，而不會(huì )利用cache當中的原有數值，以適應它的未知何時(shí)會(huì )發(fā)生的變化，系統對這種變量的處理不會(huì )做優(yōu)化——顯然也是因為它的數值隨時(shí)都可能變化的情況。

典型的例子
for ( int i=0; i100000; i++);
這個(gè)語(yǔ)句用來(lái)測試空循環(huán)的速度的
但是編譯器肯定要把它優(yōu)化掉，根本就不執行
如果你寫(xiě)成
for ( volatile int i=0; i100000; i++);
它就會(huì )執行了