[精华]关于volatile和(*(unsigned long *)&jiffies)++

volatile中文的意思是易于挥发的。在C语言中，如果一个变量被声明为volatile，则说明这个变量每回都要从内存读到寄存器中，操作完以后，再将值写回到内存中，编译器（例如gcc)并不将值cache在寄存器中。对于多线程或SMP系统，要注意使用volatile。
int wait = TRUE;


thread1() thread2()
{ {
while (wait) { wait = FALSE;
sleep(1000); ...
} }
}

当编译器看到thread1调用sleep的时候，它认为sleep是一个外部模块的函数，不可能改变wait的值，所以它"可能"就进行代码优化，将wait的值cache在寄存器中，以提高效率。假如另外一个线程thread2开始运行，将wait改成FALSE，如果CPU没有预测到wait变量的依赖关系的话，thread1就会一直sleep下去。在这种情况下，volatile可以强制编译器不将wait缓存到寄存器中。注意，一般情况下，CPU是能检测到wait被改过了，从而将寄存器刷新，但是这和CPU的体系结构有关，Linux是能支持多种体系结构的，所以经常使用volatile。

有网友问为什么在do_timer()函数中，有一句(*(unsigned long *)&jiffies)++，为什么不直接用jiffies++呢？ 这个问题和两个原因有关：
* jiffiers是volatile变量
* CPU可能会重新排序指令

我编了3个小程序来测试，

jiffier1.c


int main()
{
unsigned long jiffiers = 777;


jiffiers++;
return 0;
}

gcc -S jiffer1.c，生成的汇编为

.file "jiffier1.c"
.version "01.01"
gcc2_compiled.:
.text
.align 4
.globl main
.type main,@function
main:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
subl , %esp
movl 7, -4(%ebp)
leal -4(%ebp), %eax
incl (%eax)
movl , %eax
leave
ret
.Lfe1:
.size main,.Lfe1-main
.ident "GCC: (GNU) 2.96 20000731 (Red Hat Linux 7.3 2.96-110)"


从汇编中，可以看到jiffiers的值是直接在内存里加一的。

jiffier2.c


int main()
{
volatile unsigned long jiffiers = 777;
jiffiers++;
return 0;
}

生成的汇编为

.file "jiffier2.c"
.version "01.01" gcc2_compiled.:
.text
.align 4
.globl main
.type main,@function
main:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
subl , %esp
movl 7, -4(%ebp)
movl -4(%ebp), %eax
incl %eax
movl %eax, -4(%ebp)
movl , %eax
leave
ret
.Lfe1:
.size main,.Lfe1-main
.ident "GCC: (GNU) 2.96 20000731 (Red Hat Linux 7.3 2.96-110)"

当jiffiers被声明为volatile时，在加一之前，会先从内存中将值读到寄存器%eax中， 直接都寄存器操作，完了以后不做cache，将值写回内存。它需要3条指令才完成了加一 操作，

movl -4(%ebp), %eax
incl %eax
movl %eax, -4(%ebp)


也就是说，jiffiers++并不是原子操作，在多处理器环境中，
问题就出来了，jiffers有可能被加了两次，内存中却只是加了1。
另外的原因是这3条指令执行的时候，可能会被重新排序，从而破坏了操作的原子性。
当然我们也可以直接调用汇编指令加一，但是do_timers函数是独立于体系结构的，
所以Linux使用的一种最简单的方法，也就是(*(unsigned long *)&jiffiers)++
来解决这些问题。

jiffier3.c


int main()
{
volatile unsigned long jiffiers = 777;


(*(unsigned long *)&jiffiers)++;


return 0;
}

生成的汇编为
.file "jiffier3.c"
.version "01.01" gcc2_compiled.:
.text
.align 4
.globl main
.type main,@function
main:
pushl %ebp
movl %esp, %ebp
subl , %esp
movl 7, -4(%ebp)
leal -4(%ebp), %eax
incl (%eax)
movl , %eax
leave
ret
.Lfe1: .size main,.Lfe1-main
.ident "GCC: (GNU) 2.96 20000731 (Red Hat Linux 7.3 2.96-110)"

可以看出来，生成的指令和jiffer1.c的一模一样，也就是说， (*(unsigned long *)&jiffiers)++将volatile的jiffiers转换成一般的内存变量， 避免了用寄存器做cache，从而保证了jiffiers加一操作的原子性。
Linux一开始也是直接用jiffiers++的，到后来的版本才改成(*(unsigned long *)&jiffiers)++， 可想而知写一个牢固的OS是不容易的，要解决的隐含细节非常多。 Good Luck, Linux!