C語(yǔ)言的那些小秘密之volatile

　　volatile的重要性對于搞嵌入式的程序員來(lái)說(shuō)是不言而喻的，對于volatile的了解程度常常被不少公司在招聘嵌入式編程人員面試的時(shí)候作為衡量一個(gè)應聘者是否合格的參考標準之一，為什么volatile如此的重要呢?這是因為嵌入式的編程人員要經(jīng)常同中斷、底層硬件等打交道，而這些都用到volatile，所以說(shuō)嵌入式程序員必須要掌握好volatile的使用。

　　其實(shí)就象讀者所熟悉的const一樣，volatile是一個(gè)類(lèi)型修飾符。在開(kāi)始講解volatile之前我們先來(lái)講解下接下來(lái)要用到的一個(gè)函數，知道如何使用該函數的讀者可以跳過(guò)該函數的講解部分。

　　原型：int gettimeofday ( struct timeval * tv , struct timezone * tz );

　　頭文件：#include

　　功能：獲取當前時(shí)間

　　返回值：如果成功返回0，失敗返回-1，錯誤代碼存于errno中。

　　gettimeofday()會(huì )把目前的時(shí)間用tv所指的結構返回，當地時(shí)區的信息則放到tz所指的結構中。

　　[cpp] view plaincopytimeval結構定義為:

　　struct timeval{

　　long tv_sec;

　　long tv_usec;

　　};

　　timezone 結構定義為:

　　struct timezone{

　　int tz_minuteswest;

　　int tz_dsttime;

　　};

　　先來(lái)說(shuō)說(shuō)timeval結構體，其中的tv_sec存放的是秒，而tv_usec存放的是微秒。其中的timezone成員變量我們很少使用，在此簡(jiǎn)單的說(shuō)說(shuō)它在gettimeofday()函數中的作用是把當地時(shí)區的信息則放到tz所指的結構中，在其中tz_minuteswest變量里存放的是和Greenwich 時(shí)間差了多少分鐘，tz_dsttime日光節約時(shí)間的狀態(tài)。我們在此主要的是關(guān)注前一個(gè)成員變量timeval，后一個(gè)我們在此不使用，所以使用gettimeofday()函數的時(shí)候我們把有一個(gè)參數設定為NULL，下面先來(lái)看看一段簡(jiǎn)單的代碼。

　　[cpp] view plaincopy#include

　　#include

　　int main(int argc, char * argv[])

　　{

　　struct timeval start,end;

　　gettimeofday( &start, NULL ); /*測試起始時(shí)間*/

　　double timeuse;

　　int j;

　　for(j=0;j<1000000;j++)

　　;

　　gettimeofday( &end, NULL ); /*測試終止時(shí)間*/

　　timeuse = 1000000 * ( end.tv_sec - start.tv_sec ) + end.tv_sec - start.tv_sec ;

　　timeuse /= 1000000;

　　printf("運行時(shí)間為：%fn",timeuse);

　　return 0;

　　}

　　運行結果為：

　　[cpp] view plaincopyroot@ubuntu:/home# ./p

　　運行時(shí)間為：0.002736

　　現在來(lái)簡(jiǎn)單的分析下代碼，通過(guò)end.tv_sec - start.tv_sec 我們得到了終止時(shí)間跟起始時(shí)間以秒為單位的時(shí)間間隔，然后使用end.tv_sec - start.tv_sec 得到終止時(shí)間跟起始時(shí)間以微妙為單位的時(shí)間間隔。因為時(shí)間單位的原因，所以我們在此對于( end.tv_sec - start.tv_sec ) 得到的結果乘以1000000轉換為微秒進(jìn)行計算，之后再使用timeuse /= 1000000;將其轉換為秒?，F在了解了如何通過(guò)gettimeofday()函數來(lái)測試start到end代碼之間的運行時(shí)間，那么我們現在接下來(lái)看看volatile修飾符。

　　通常在代碼中我們?yōu)榱朔乐挂粋€(gè)變量在意想不到的情況下被改變，我們會(huì )將變量定義為volatile，這從而就使得編譯器就不會(huì )自作主張的去“動(dòng)”這個(gè)變量的值了。準確點(diǎn)說(shuō)就是每次在用到這個(gè)變量時(shí)必須每次都重新從內存中直接讀取這個(gè)變量的值，而不是使用保存在寄存器里的備份。

　　在舉例之前我們先大概的說(shuō)下Debug和Release 模式下編譯方式的區別，Debug 通常稱(chēng)為調試版本，它包含調試信息，并且不作任何優(yōu)化，便于程序員調試程序。Release 稱(chēng)為發(fā)布版本，它往往是進(jìn)行了各種優(yōu)化，使得程序在代碼大小和運行速度上都是最優(yōu)的，以便用戶(hù)很好地使用。大致的知道了Debug和Release的區別之后，我們下面來(lái)看看一段代碼。

　　[cpp] view plaincopy#include

　　void main()

　　{

　　int a=12;

　　printf("a的值為:%dn",a);

　　__asm {mov dword ptr [ebp-4], 0h}

　　int b = a;

　　printf("b的值為:%dn",b);

　　}

　　先分析下上面的代碼，我們使用了一句__asm {mov dword ptr [ebp-4], 0h}來(lái)修改變量a在內存中的值，如果有對這句代碼功能不清楚的讀者可以參考我之前的一篇《C語(yǔ)言的那些小秘密之堆?！?，在此就不做過(guò)多的講解了。前面已經(jīng)講解了Debug和Release 編譯方式的區別，那么我們現在來(lái)對比看下結果。注：使用vc6編譯運行，如無(wú)特殊說(shuō)明，均在linux環(huán)境下編譯運行。讀者自己在編譯的時(shí)候別忘了選擇編譯運行的模式。

　　使用Debug模式的結果為：

　　[cpp] view plaincopya的值為:12

　　b的值為:0

　　Press any key to continue

　　使用Release模式的結果為：

　　[cpp] view plaincopya的值為:12

　　b的值為:12

　　Press any key to continue

　　看看上面的運行結果我們發(fā)現在Release模式進(jìn)行了優(yōu)化之后b的值為了12，但是使用Debug模式的時(shí)候b的值為0。為什么會(huì )出現這樣的情況呢?我們先不說(shuō)答案，再來(lái)看看下面一段代碼。注：使用vc6編譯運行

　　[cpp] view plaincopy#include

　　void main()

　　{

　　int volatile a=12;

　　printf("a的值為:%dn",a);

　　__asm {mov dword ptr [ebp-4], 0h}

　　int b = a;

　　printf("b的值為:%dn",b);

　　}

　　使用Debug模式的結果為：

　　[cpp] view plaincopya的值為:12

　　b的值為:0

　　Press any key to continue

　　使用Release模式的結果為：

　　[cpp] view plaincopya的值為:12

　　b的值為:0

　　Press any key to continue

　　我們發(fā)現這種情況下不管使用Debug模式還是Release模式都是一樣的結果?，F在我們就來(lái)分析下，在此之前我們先說(shuō)了Debug和Release 模式下編譯方式的區別。

　　先分析上一段代碼，由于在Debug模式下我們并沒(méi)有對代碼進(jìn)行優(yōu)化，所以對于在代碼中每次使用a值得時(shí)候都是從它的內存地址直接讀取的，所以在我們使用了__asm {mov dword ptr [ebp-4], 0h}語(yǔ)句改變了a的值之后，接下來(lái)使用a值的時(shí)候從內存中直接讀取，所以得到的是更新后的a值;但是當我們在Release模式下運行的時(shí)候，發(fā)現b的值為a之前的值，而不是我們更新后的a值，這是由于編譯器在優(yōu)化的過(guò)程中做了優(yōu)化處理。編譯器發(fā)現在對a賦值之后沒(méi)有再次改變a的值，所以編譯器把a的值備份在了一個(gè)寄存器中，在之后的操作中我們再次使用a值的時(shí)候就直接操作這個(gè)寄存器，而不去讀取a的內存地址，因為讀取寄存器的速度要快于直接讀取內存的速度。這就使得了讀到的a值為之前的12。而不是更新后的0。

　　第二段代碼中我們使用了一個(gè)volatile修飾符，這種情況下不管在什么模式下都得到的是更新后的a的值，因為volatile修飾符的作用就是告訴編譯器不要對它所修飾的變量進(jìn)行任何的優(yōu)化，每次取值都要直接從內存地址得到。從這兒我們可以看出，對于我們代碼中的那些易變量，我們最好使用volatile修飾，以此來(lái)得到每次對其進(jìn)行更新后的值。為了加深下大家的印象我們再來(lái)看看下面一段代碼。

　　[cpp] view plaincopy#include

　　#include

　　int main(int argc, char * argv[])

　　{

　　struct timeval start,end;

　　gettimeofday( &start, NULL ); /*測試起始時(shí)間*/

　　double timeuse;

　　int j;

　　for(j=0;j<10000000;j++)

　　;

　　gettimeofday( &end, NULL ); /*測試終止時(shí)間*/

　　timeuse = 1000000 * ( end.tv_sec - start.tv_sec ) + end.tv_usec -start.tv_usec;

　　timeuse /= 1000000;

　　printf("運行時(shí)間為：%fn",timeuse);

　　return 0;

　　}

　　與之前我們測試時(shí)間的代碼一樣，我們只是增大了for()循環(huán)的次數。

　　先來(lái)看看我們不使用優(yōu)化的結果：

　　[cpp] view plaincopyroot@ubuntu:/home# gcc time.c -o p

　　root@ubuntu:/home# ./p

　　運行時(shí)間為：0.028260

　　使用了優(yōu)化的運行結果：

　　[cpp] view plaincopyroot@ubuntu:/home# gcc -o p time.c -O2

　　root@ubuntu:/home# ./p

　　運行時(shí)間為：0.000001

　　從結果顯然可以看出差距如此之大，但是如果我們在上面的代碼中修改一下int j為int volatile j之后再來(lái)看看如下代碼：

　　[cpp] view plaincopy#include

　　#include

　　int main(int argc, char * argv[])

　　{

　　struct timeval start,end;

　　gettimeofday( &start, NULL ); /*測試起始時(shí)間*/

　　double timeuse;

　　int volatile j;

　　for(j=0;j<10000000;j++)

　　;

　　gettimeofday( &end, NULL ); /*測試終止時(shí)間*/

　　timeuse = 1000000 * ( end.tv_sec - start.tv_sec ) + end.tv_usec -start.tv_usec;

　　timeuse /= 1000000;

　　printf("運行時(shí)間為：%fn",timeuse);

　　return 0;

　　}

　　先來(lái)看看我們不使用優(yōu)化的運行結果為：

　　[cpp] view plaincopyroot@ubuntu:/home# gcc time.c -o p

　　root@ubuntu:/home# ./p

　　運行時(shí)間為：0.027647

　　使用了優(yōu)化的運行結果為：

　　[cpp] view plaincopyroot@ubuntu:/home# gcc -o p time.c -O2

　　root@ubuntu:/home# ./p

　　運行時(shí)間為：0.027390

　　我們發(fā)現此時(shí)此刻不管是否使用優(yōu)化語(yǔ)句運行，時(shí)間幾乎沒(méi)有變化，只是有微小的差異，這微小的差異是由于計算機本身所導致的。所以我們通過(guò)對于上面一個(gè)沒(méi)有使用volatile和下面一個(gè)使用了volatile的對比結果可知，使用了volatile的變量在使用優(yōu)化語(yǔ)句是for()循環(huán)并沒(méi)有得到優(yōu)化，因為for()循環(huán)執行的是一個(gè)空操作，那么通常情況下使用了優(yōu)化語(yǔ)句使得這個(gè)for()循環(huán)被優(yōu)化掉，根本就不執行。就好比編譯器在編譯的過(guò)程中將i的值設置為大于或者等于10000000的一個(gè)數，使得for()循環(huán)語(yǔ)句不會(huì )執行。但是由于我們使用了volatile，使得編譯器就不會(huì )自作主張的去動(dòng)我們的i值，所以循環(huán)體得到了執行。舉這個(gè)例子的原因是要讓讀者牢記，如果我們定義了volatile變量，那么它就不會(huì )被編譯器所優(yōu)化。

　　當然volatile還有那些值得注意的地方呢?由于訪(fǎng)問(wèn)寄存器的速度要快過(guò)直接訪(fǎng)問(wèn)內存的速度，所以編譯器一般都會(huì )作減少對于內存的訪(fǎng)問(wèn)，但是如果將變量加上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。這樣說(shuō)可能有些抽象了，再看看下面的代碼，在此就簡(jiǎn)要的寫(xiě)出幾步了。

　　main()

　　{

　　int i=o;

　　while(i==0)

　　{

　　……

　　}

　　}

　　分析以上代碼，如果我們沒(méi)有在while循環(huán)體結構里面改變i的值，編譯器在編譯的過(guò)程中就會(huì )將i的值備份到一個(gè)寄存器中，每次執行判斷語(yǔ)句時(shí)就從該寄存器取值，那么這將是一個(gè)死循環(huán)，但是如果我們做如下的修改：

　　main()

　　{

　　int volatile i=o;

　　while(i==0)

　　{

　　……

　　}

　　}

　　我們在i的前面加上了一個(gè)volatile，假設while()循環(huán)體里面執行的是跟上一個(gè)完全一樣的操作，但是這個(gè)時(shí)候就不能說(shuō)是一個(gè)死循環(huán)了，因為編譯器不會(huì )再對我們的i值進(jìn)行"備份"操作了，每次執行判斷的時(shí)候都會(huì )直接從i的內存地址中讀取，一旦其值發(fā)生變化就退出循環(huán)體。

　　最后給出一點(diǎn)就是在實(shí)際使用中volatile的使用的場(chǎng)合大致有以下幾點(diǎn)：

　　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)都可能有不同意義。

　　對于volatile的講解我們到此就結束了。由于本人水平有限，博客中的不妥或錯誤之處在所難免，殷切希望讀者批評指正。同時(shí)也歡迎讀者共同探討相關(guān)的內容，如果樂(lè )意交流的話(huà)請留下你寶貴的意見(jiàn)。