C++中的volatile

2023-05-16

volatile的本意是“易变的”,volatile关键字是一种类型修饰符,用它声明的类型变量表示可以被某些编译器未知的因素更改,比如操作系统、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不再进行优化,从而可以提供对特殊地址的稳定访问。

当要求使用volatile 声明的变量的值的时候,系统总是重新从它所在的内存读取数据,即使它前面的指令刚刚从该处读取过数据。而且读取的数据立刻被寄存。例如:

volatile int i=10;
 
int a = i;
 
。。。//其他代码,并未明确告诉编译器,对i进行过操作
 
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,因而编译器生成的汇编代码会重新从i的地址读取数据放在b中。而优化做法是,由于编译器发现两次从i读数据的代码之间的代码没有对i进行过操作,它会自动把上次读的数据放在b中。而不是重新从i里面读。这样以来,如果i是一个寄存器变量或者表示一个端口数据就容易出错,所以说volatile可以保证对特殊地址的稳定访问。

注意,在vc6中,一般调试模式没有进行代码优化,所以这个关键字的作用看不出来。下面通过插入汇编代码,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:

#include <stdio.h>
 
void main()
 
{
 
int i=10;
 
int a = i;
 
 
 
printf("i= %d/n",a);
 
//下面汇编语句的作用就是改变内存中i的值,但是又不让编译器知道
 
__asm {
 
 mov dword ptr [ebp-4], 20h
 
}
 
 
 
int b = i;
 
printf("i= %d/n",b);
 
}

然后,在调试版本模式运行程序,输出结果如下:

i = 10

i = 32

然后,在release版本模式运行程序,输出结果如下:

i = 10

i = 10

输出的结果明显表明,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,我们把 i的声明加上volatile关键字,看看有什么变化:

#include <stdio.h>
 
void main()
 
{
 
volatile int i=10;
 
int a = i;
 
 
 
printf("i= %d/n",a);
 
__asm {
 
 mov dword ptr [ebp-4], 20h
 
}
 
 
 
int b = i;
 
printf("i= %d/n",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作用!

关于volatile的补充信息:

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小心地重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

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。嵌入式系统程序员经常同硬件、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,看一下这家伙是不是直正懂得volatile的重要性:

1). 一个参数既可以是const还可以是volatile吗?解释为什么。

2). 一个指针可以是volatile 吗?解释为什么。
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因为它可能被意想不到地改变。它是const因为程序不应该试图去修改它。
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). 这段代码的有个恶作剧。这段代码的目的是用来返指针ptr指向值的平方,但是,由于ptr指向一个volatile型参数,编译器将产生类似下面的代码:


     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该变,因此a和b可能是不同的。结果,这段代码可能返不是你所期望的平方值!正确的代码如下:

     long square(volatile int *ptr)
     
         {
     
                int a;
     
                a = *ptr;
     
                return a * a;
     
         }
         ```

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