volatile类型修饰符

待我称王封你为后i 2022-04-06 14:59 183阅读 0赞

volatile是一个类型修饰符，其作用是作为指令关键字，确保本条指令不会因为编译器的优化而省略，且要求每次直接读值。简单来说，就是防止编译器对代码进行优化。  
eg：  
a\[1\]=1;  
a\[1\]=2;  
a\[1\]=3;  
a\[1\]=4;  
对于外部硬件而言，上述四条语句分别表示不同的操作，会产生不同的动作，但是编译器却会对上述四条语句进行优化，认为只有a\[1\]=4有效；如果加入关键字volatile，则编译器会逐一的进行编译并产生相应的机器代码。

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经常使用到volatile变量的例子：  
（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；  
（3）多线程应用中被几个任务共享的变量；  
嵌入式系统程序经常同硬件、中断、RTOS等等打交道，所有这些都要求使用volatile变量。

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如在C语言中，volatile关键字可以用来提醒编译器它后面所定义的变量随时有可能改变，因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候，都会直接从变量地址中读取数据。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。

volatile与多线程语义  
临界区内部，通过互斥锁（mutex）保证只有一个线程可以访问，因此临界区内的变量不需要是volatile的；而在临界区外部，被多个线程访问的变量应为volatile，这也符合了volatile的原意：防止编译器缓存（cache）了被多个线程并发用到的变量。volatile对象只能调用volatile成员函数，这意味着应仅对多线程并发安全的成员函数加volatile修饰，这种volatile成员函数可自由用于多线程并发或者重入而不必使用临界区；非volatile的成员函数意味着单线程环境，只应在临界区内调用。在多线程编程中可以令该数据对象的所有成员函数均为普通的非volatile修饰，从而保证了仅在进入临界区（即获得了互斥锁）后把该对象显式转为普通对象之后才能调用该数据对象的成员函数。这种用法避免了编程者的失误——在临界区以外访问共享对象的内容：

template <typename T> class LockingPtr{ 
      public:
        LockingPtr(volatile T& obj, Mutex& mtx)
            :pObj_(const_cast<T*>(&obj) ),  pMtx_(&mtx)
            {   mtx.Lock();  }
        ~LockingPtr()
            {  pMtx->Unlock();  }
        T& operator*()
            {   return *pObj_;  }
        T* operator->()
            {   return pObj_;   }
      private:
        T* pObj_;
        Mutex* pMtx_;
        LockingPtr(const LockingPtr&);
        LockingPtr& operator=(const LockingPtr&);
    }

对于内建类型，不应直接用volatile，而应把它包装为结构的成员，就可以保护了volatile的结构对象不被不受控制地访问.

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C语言的例子:

static int foo;
      
    void bar(void) { 
        foo = 0;
      
        while (foo != 255)
             ;
    }

在这里例子中，代码将foo的值设置为0。然后开始不断地轮询它的值直到它变成255.

void bar_optimized(void) { 
        foo = 0;
      
        while (true)
             ;
    }

一个执行优化的编译器会提示没有代码能修改foo的值，并假设它永远都只会是0.因此编译器将用类似下列的无限循环替换函数体.

static volatile int foo;
      
    void bar (void) { 
        foo = 0;
      
        while (foo != 255)
            ;
    }

但是，foo可能指向一个随时都能被计算机系统其他部分修改的地址，例如一个连接到中央处理器的设备的硬件寄存器，上面的代码永远检测不到这样的修改。如果不使用volatile关键字，编译器将假设当前程序是系统中能改变这个值部分（这是到最广泛的一种情况）。 为了阻止编译器像上面那样优化代码，需要使用volatile关键字,这样修改以后循环条件就不会被优化掉，当值改变的时候系统将会检测到。

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