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被该
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!