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2012年(3)

2009年(3)

我的朋友

分类: C/C++

2009-12-13 21:28:45

volatile的用法
 

volatile总是与优化有关,编译器有一种技术叫做数据流分析,分析程序中的变量在哪里赋值、在哪里使用、在哪里失效,分析结果可以用于常量合并,常量传播等优化,进一步可以死代码消除。但有时这些优化不是程序所需要的,这时可以用volatile关键字禁止做这些优化,volatile的字面含义是易变的,它有下面的作用:
  
  1 不会在两个操作之间把volatile变量缓存在寄存器中。在多任务、中断、甚至setjmp环境下,变量可能被其他的程序改变,编译器 自己无法知道,volatile就是告诉编译器这种情况。
  
  2 不做常量合并、常量传播等优化,所以像下面的代码:
  volatile int i = 1;
  if (i > 0) ...
  
  if的条件不会当作无条件真。
  
  3 对volatile变量的读写不会被优化掉。如果你对一个变量赋值但后面没用到,编译器常常可以省略那个赋值操作,然而对Memory Mapped IO的处理是不能这样优化的。
  
  有人说volatile可以保证对内存操作的原子性,这种说法不大准确,其一,x86需要LOCK前缀才能在SMP下保证原子性,其二,RISC根本不能对内存直接运算,要保证原子性得用别的方法,如atomic_inc。
  
  对于jiffies,它已经声明为volatile变量,我认为直接用jiffies++就可以了,没必要用那种复杂的形式,因为那样也不能保证原子性。
  
  你可能不知道在Pentium及后续CPU中,下面两组指令
  
  inc jiffies
  ;;
  mov jiffies, %eax
  inc %eax
  mov %eax, jiffies
  
  作用相同,但一条指令反而不如三条指令快。
  
  ------------------------------------------------------------------------------------------------------------
  
  一般这个修饰符用来告知编译器,被修饰的变量是个“易变的”变量(volatile的本意是“易变的”),防止编译器进行优化。将变量加上volatile修饰,则编译器保证对此变量的读写操作都不会被优化。
  
  1、中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量需要加volatile;
  
  2、多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile;
  
  3、存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile说明,因为每次对它的读写都可能由不同意义

09volatile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。

使用该关键字的例子如下:

int volatile nVint;

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保存。

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。

####################典型问题######################

关键字volatile有什么含意?并给出三个不同的例子。

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
回答不出这个问题的人是不会被雇佣的。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完全的重要性。
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;
}

************************补充*******************************

volatile的本意是“易变的” 由于访问寄存器的速度要快过RAM,所以编译器一般都会作减少存取外部RAM的优化。比如:

static int i=0; //应该为static volatile int i=0;

int main(void)
{
...
while (1)
{
if (i) dosomething();
}
}

/* Interrupt service routine. */
void ISR_2(void)
{
i=1;
}

程序的本意是希望ISR_2中断产生时,在main当中调用dosomething函数,但是,由于编译器判断在main函数里面没有修改过i,因此可能只执行一次对从i到某寄存器的读操作,然后每次if判断都只使用这个寄存器里面的“i副本”,导致dosomething永远也不会被调用。
如果将将变量加上volatile修饰,则编译器保证对此变量的读写操作都不会被优化(肯定执行)。此例中i也应该如此说明。

一般说来,volatile用在如下的几个地方:

1、中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量需要加volatile;

2、多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile;

3、存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile说明,因为每次对它的读写都可能由不同意义;

volatile表示变量的内容可能在程序未知的情况下被改变
比如,它对应的内存地址的内容被中断函数,或者其他的进程所改变
这种类型的变量,程序执行的时候不会放到cache当中预取,而是每次用到的时候直接取得
比如,你在c中间写这样的程序
for (int i=0; i <100000;i++);
空循环,什么也不做
这个东西就会被优化调,如果在int前面加入这个标记则不会被优化的,因为i每次的变化不一定++也虚在循环中间被别的程序所改变

在linux的source code(linux/mm/memory.c)中有这样两句:
volatile void do_exit(long code);

static inline volatile void oom(void)
{
printk("out of memory\n\r");
do_exit(SIGSEGV);

}

实例讲解  
  
volatile的本意是一般有两种说法--1.“暂态的”;2.“易变的”。
这两种说法都有可行。但是究竟volatile是什么意思,现举例说明(以Keil-c与a51为例
例子来自Keil FQA),看完例子后你应该明白volatile的意思了,如果还不明白,那只好
再看一遍了。


例1.

void main (void)
{
volatile int i;
int j;

i = 1;  //1  不被优化 i=1
i = 2;  //2  不被优化 i=1
i = 3;  //3  不被优化 i=1

j = 1;  //4  被优化
j = 2;  //5  被优化
j = 3;  //6  j = 3
}
---------------------------------------------------------------------
例2.

函数:

void func (void)
{
unsigned char xdata xdata_junk;
unsigned char xdata *p = &xdata_junk;
unsigned char t1, t2;

t1 = *p;
t2 = *p;
}

编译的汇编为:

0000 7E00    R     MOV     R6,#HIGH xdata_junk
0002 7F00    R     MOV     R7,#LOW xdata_junk
;---- Variable 'p' assigned to Register 'R6/R7' ----

0004 8F82          MOV     DPL,R7
0006 8E83          MOV     DPH,R6

;!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 注意
0008 E0            MOVX    A,@DPTR
0009 F500    R     MOV     t1,A

000B F500    R     MOV     t2,A
;!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
000D 22            RET    

将函数变为:
void func (void)
{
volatile unsigned char xdata xdata_junk;
volatile unsigned char xdata *p = &xdata_junk;
unsigned char t1, t2;

t1 = *p;
t2 = *p;
}

编译的汇编为:
0000 7E00    R     MOV     R6,#HIGH xdata_junk
0002 7F00    R     MOV     R7,#LOW xdata_junk
;---- Variable 'p' assigned to Register 'R6/R7' ----

0004 8F82          MOV     DPL,R7
0006 8E83          MOV     DPH,R6

;!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
0008 E0            MOVX    A,@DPTR
0009 F500    R     MOV     t1,A        a处

000B E0            MOVX    A,@DPTR
000C F500    R     MOV     t2,A
;!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

000E 22            RET    


比较结果可以看出来,未用volatile关键字时,只从*p所指的地址读一次
如在a处*p的内容有变化,则t2得到的则不是真正*p的内容。

---------------------------------------------------------------------
例3


volatile unsigned char bdata var;  // use volatile keyword here
sbit var_0 = var^0;
sbit var_1 = var^1;
unsigned char xdata values[10];

void main (void)  {
  unsigned char i;

  for (i = 0; i < sizeof (values); i++)  {
    var = values[i];
    if (var_0)  {
      var_1 = 1; //a处
      
      values[i] = var;  // without the volatile keyword, the compiler
                        // assumes that 'var' is unmodified and does not
                        // reload the variable content.
    }
  }
}


在此例中,如在a处到下一句运行前,var如有变化则不会,如var=0xff; 则在
values[i] = var;得到的还是values[i] = 1;

---------------------------------------------------------------------
应用举例:

例1.
#define DBYTE ((unsigned char volatile data  *) 0)

说明:此处不用volatile关键字,可能得不到真正的内容。
---------------------------------------------------------------------

例2.


#define TEST_VOLATILE_C

//***************************************************************
// verwendete Include Dateien
//***************************************************************
#if __C51__ < 600
  #error: !! Keil 版本不正确
#endif

//***************************************************************
// 函数 void v_IntOccured(void)
//***************************************************************
extern void v_IntOccured(void);

//***************************************************************
// 变量定义
//***************************************************************
char xdata cvalue1;          //全局xdata
char volatile xdata cvalue2; //全局xdata

//***************************************************************
// 函数: v_ExtInt0()
// 版本:
// 参数:
// 用途:cvalue1++,cvalue2++
//***************************************************************
void v_ExtInt0(void) interrupt 0 {
  cvalue1++;
  cvalue2++;
}

//***************************************************************
// 函数: main()
// 版本:
// 参数:
// 用途:测试volatile
//***************************************************************

void main() {
char cErg;

//1. 使cErg=cvalue1;
cErg = cvalue1;

//2. 在此处仿真时手动产生中断INT0,使cvalue1++; cvalue2++
if (cvalue1 != cErg)
  v_IntOccured();

//3. 使cErg=cvalue2;
cErg = cvalue2;

//4. 在此处仿真时手动产生中断INT0,使cvalue1++; cvalue2++
if (cvalue2 != cErg)
  v_IntOccured();
 
//5. 完成
  while (1);
}

//***************************************************************
// 函数: v_IntOccured()
// 版本:
// 参数:
// 用途: 死循环
//***************************************************************
void v_IntOccured() {
  while(1);
}


仿真可以看出,在没有用volatile时,即2处,程序不能进入v_IntOccured();
但在4处可以进入v_IntOccured();

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