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我的朋友

分类: C/C++

2013-09-01 09:28:33

引子1

    猜猜看,下面这段代码有什么问题:

?


void Delay(UINT32 n)
{
    while(—n);
}
   
答案:


    本来代码完全正常,但是为了优化性能,打开了编译器的优化。但是发现这个函数被编译器优化掉了。为了防止被优化掉,需要给函数的参数加上volatile:

void Delay(volatile UINT32 n)
{
    while(—n);
}
?

引子2

    再猜猜看,这段代码有什么问题:

int square(volatile int *ptr)
{
    return *ptr * *ptr;
}


?

    答案:

    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:

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

 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:

引子3

static 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***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***作都不会被优化(肯定执行)。此例中i也应该如此说明。


正文

    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。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。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。

    volatile的本意是“易变的”,不过翻译成“直接存取原始内存地址”更为合适。“易变”是因为外在因素引起的,象多线程,中断等,并不是因为用volatile修饰了的变量就是“易变”了,假如没有外因,即使用volatile定义,它也不会变化。

    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。

?

    对于这样的代码:

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。

    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。

    另外,以上这几种情况经常还要同时考虑数据的完整性(相互关联的几个标志读了一半被打断了重写),在1中可以通过关中断来实现,2中可以禁止任务调度,3中则只能依靠硬件的良好设计了。

volatile 的含义
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***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***作,然而对Memory Mapped IO的处理是不能这样优化的。

前面有人说volatile可以保证对内存***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。

补充:
    关键字volatile是什么声明?
    将一个变量说明为volatile表示这个变量是“易变的”。如果一个变量会被其它引用改变,或在其它并行的任务中会被改变(例如中断服务程序),都要显式地说明为“volatile”,否则在编译器优化阶段会作出错误的判断,例如将这个变量读入寄存器以后,在没有对这个变量赋值以前,会一直使用寄存器中的值,而实际上这个变量的值可能已经被一个指针引用改变了,或者是在中断服务程序中被改变了

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