詳解C中volatile關鍵字

    volatile提醒編譯器它后面所定義的變量隨時都有可能改變，因此編譯后的程序每次需要存儲或讀取這個變量的時候，都會直接從變量地址中讀取數據。如果沒有volatile關鍵字，則編譯器可能優化讀取和存儲，可能暫時使用寄存器中的值，如果這個變量由別的程序更新了的話，將出現不一致的現象。下面舉例說明。在DSP開發中，經常需要等待某個事件的觸發，所以經常會寫出這樣的程序：
short flag;
void test()
{
do1();
while(flag==0);
do2();
}

    這段程序等待內存變量flag的值變為1(懷疑此處是0,有點疑問,)之后才運行do2()。變量flag的值由別的程序更改，這個程序可能是某個硬件中斷服務程序。例如：如果某個按鈕按下的話，就會對DSP產生中斷，在按鍵中斷程序中修改flag為1，這樣上面的程序就能夠得以繼續運行。但是，編譯器并不知道flag的值會被別的程序修改，因此在它進行優化的時候，可能會把flag的值先讀入某個寄存器，然后等待那個寄存器變為1。如果不幸進行了這樣的優化，那么while循環就變成了死循環，因為寄存器的內容不可能被中斷服務程序修改。為了讓程序每次都讀取真正flag變量的值，就需要定義為如下形式：
volatile short flag;
    需要注意的是，沒有volatile也可能能正常運行，但是可能修改了編譯器的優化級別之后就又不能正常運行了。因此經常會出現debug版本正常，但是release版本卻不能正常的問題。所以為了安全起見，只要是等待別的程序修改某個變量的話，就加上volatile關鍵字。

volatile的本意是“易變的”
      由于訪問寄存器的速度要快過RAM，所以編譯器一般都會作減少存取外部RAM的優化。比如：
static int i=0;
int main(void)
{
...
while (1)
{
if (i) do_something();
}
}
/* Interrupt service routine. */
void ISR_2(void)
{
i=1;
}
    程序的本意是希望ISR_2中斷產生時，在main當中調用do_something函數，但是，由于編譯器判斷在main函數里面沒有修改過i，因此可能只執行一次對從i到某寄存器的讀操作，然后每次if判斷都只使用這個寄存器里面的“i副本”，導致do_something永遠也不會被調用。如果變量加上volatile修飾，則編譯器保證對此變量的讀寫操作都不會被優化（肯定執行）。此例中i也應該如此說明。
    一般說來，volatile用在如下的幾個地方：
1、中斷服務程序中修改的供其它程序檢測的變量需要加volatile；
2、多任務環境下各任務間共享的標志應該加volatile；
3、存儲器映射的硬件寄存器通常也要加volatile說明，因為每次對它的讀寫都可能由不同意義；
另外，以上這幾種情況經常還要同時考慮數據的完整性（相互關聯的幾個標志讀了一半被打斷了重寫），在1中可以通過關中斷來實現，2中可以禁止任務調度，3中則只能依靠硬件的良好設計了。
二、volatile 的含義
     volatile總是與優化有關，編譯器有一種技術叫做數據流分析，分析程序中的變量在哪里賦值、在哪里使用、在哪里失效，分析結果可以用于常量合并，常量傳播等優化，進一步可以死代碼消除。但有時這些優化不是程序所需要的，這時可以用volatile關鍵字禁止做這些優化，volatile的字面含義是易變的，它有下面的作用： 
 1 不會在兩個操作之間把volatile變量緩存在寄存器中。在多任務、中斷、甚至setjmp環境下，變量可能被其他的程序改變，編譯器自己無法知道，volatile就是告訴編譯器這種情況。
2 不做常量合并、常量傳播等優化，所以像下面的代碼： 
volatile int i = 1; 
if (i > 0) ... 
if的條件不會當作無條件真。 
3 對volatile變量的讀寫不會被優化掉。如果你對一個變量賦值但后面沒用到，編譯器常常可以省略那個賦值操作，然而對Memory Mapped IO的處理是不能這樣優化的。 
    前面有人說volatile可以保證對內存操作的原子性，這種說法不大準確，其一，x86需要LOCK前綴才能在SMP下保證原子性，其二，RISC根本不能對內存直接運算，要保證原子性得用別的方法，如atomic_inc。 
    對于jiffies，它已經聲明為volatile變量，我認為直接用jiffies++就可以了，沒必要用那種復雜的形式，因為那樣也不能保證原子性。 
    你可能不知道在Pentium及后續CPU中，下面兩組指令 
inc jiffies 
;; 
mov jiffies, %eax 
inc %eax 
mov %eax, jiffies 
作用相同，但一條指令反而不如三條指令快。
三、編譯器優化 → C關鍵字volatile → memory破壞描述符zz

    “memory”比較特殊，可能是內嵌匯編中最難懂部分。為解釋清楚它，先介紹一下編譯器的優化知識，再看C關鍵字volatile。最后去看該描述符。 
1、編譯器優化介紹 
     內存訪問速度遠不及CPU處理速度，為提高機器整體性能，在硬件上引入硬件高速緩存Cache，加速對內存的訪問。另外在現代CPU中指令的執行并不一定嚴格按照順序執行，沒有相關性的指令可以亂序執行，以充分利用CPU的指令流水線，提高執行速度。以上是硬件級別的優化。再看軟件一級的優化：一種是在編寫代碼時由程序員優化，另一種是由編譯器進行優化。編譯器優化常用的方法有：將內存變量緩存到寄存器；調整指令順序充分利用CPU指令流水線，常見的是重新排序讀寫指令。對常規內存進行優化的時候，這些優化是透明的，而且效率很好。由編譯器優化或者硬件重新排序引起的問題的解決辦法是在從硬件（或者其他處理器）的角度看必須以特定順序執行的操作之間設置內存屏障（memory barrier），linux 提供了一個宏解決編譯器的執行順序問題。 
void Barrier(void) 
     這個函數通知編譯器插入一個內存屏障，但對硬件無效，編譯后的代碼會把當前CPU寄存器中的所有修改過的數值存入內存，需要這些數據的時候再重新從內存中讀出。 
2、C語言關鍵字volatile 
     C語言關鍵字volatile（注意它是用來修飾變量而不是上面介紹的__volatile__）表明某個變量的值可能在外部被改變，因此對這些變量的存取不能緩存到寄存器，每次使用時需要重新存取。該關鍵字在多線程環境下經常使用，因為在編寫多線程的程序時，同一個變量可能被多個線程修改，而程序通過該變量同步各個線程，例如： 
DWORD __stdcall threadFunc(LPVOID signal) 
{ 
int* intSignal=reinterpret_cast<int*>(signal); 
*intSignal=2; 
while(*intSignal!=1) 
sleep(1000); 
return 0; 
} 
     該線程啟動時將intSignal 置為2，然后循環等待直到intSignal 為1 時退出。顯然intSignal的值必須在外部被改變，否則該線程不會退出。但是實際運行的時候該線程卻不會退出，即使在外部將它的值改為1，看一下對應的偽匯編代碼就明白了： 
mov ax,signal 
label: 
if(ax!=1) 
goto label 
     對于C編譯器來說，它并不知道這個值會被其他線程修改。自然就把它cache在寄存器里面。記住，C 編譯器是沒有線程概念的！這時候就需要用到volatile。volatile 的本意是指：這個值可能會在當前線程外部被改變。也就是說，我們要在threadFunc中的intSignal前面加上volatile關鍵字，這時候，編譯器知道該變量的值會在外部改變，因此每次訪問該變量時會重新讀取，所作的循環變為如下面偽碼所示： 
label: 
mov ax,signal 
if(ax!=1) 
goto label 
3、Memory 
      有了上面的知識就不難理解Memory修改描述符了，Memory描述符告知GCC： 
1）不要將該段內嵌匯編指令與前面的指令重新排序；也就是在執行內嵌匯編代碼之前，它前面的指令都執行完畢 
2）不要將變量緩存到寄存器，因為這段代碼可能會用到內存變量，而這些內存變量會以不可預知的方式發生改變，因此GCC插入必要的代碼先將緩存到寄存器的變量值寫回內存，如果后面又訪問這些變量，需要重新訪問內存。 
     如果匯編指令修改了內存，但是GCC 本身卻察覺不到，因為在輸出部分沒有描述，此時就需要在修改描述部分增加“memory”，告訴GCC 內存已經被修改，GCC 得知這個信息后，就會在這段指令之前，插入必要的指令將前面因為優化Cache 到寄存器中的變量值先寫回內存，如果以后又要使用這些變量再重新讀取。 
     使用“volatile”也可以達到這個目的，但是我們在每個變量前增加該關鍵字，不如使用“memory”方便