volatile 关键字
就象大家更熟悉的const一样,volatile是一个类型修饰符(type specifier)。它是被设计用来修饰被不同线程访问和修改的变量。如果没有volatile,基本上会导致这样的结果:要么无法编写多线程程序,要么编译器失去大量优化的机会。
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
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断服务子程序修改一个指向一个buffer的指针时。
3). 这段代码是个恶作剧。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(并不是因为是volatile才可能被意想不到的被改变,而是因为肯被意想不到的被改变才定义为volatile),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;
}
1. 编译器的优化 (请高手帮我看看下面的理解)
当变量值在本线程里改变时,会同时把变量的新值copy到该寄存器中,以便保持一致
当变量在因别的线程等而改变了值,该寄存器的值不会相应改变,从而造成应用程序读取的值和实际的变量值不一致
当该寄存器在因别的线程等而改变了值,原变量的值不会改变,从而造成应用程序读取的值和实际的变量值不一致
2. 在什么情况下会出现(如1楼所说)
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
补充: volatile应该解释为“直接存取原始内存地址”比较合适,“易变的”这种解释简直有点误导人;
“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;
而用volatile定义之后,其实这个变量就不会因外因而变化了,可以放心使用了
------------简明示例如下:------------------
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。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。
>>>>注意,在vc6中,一般调试模式没有进行代码优化,所以这个关键字的作用看不出来。下面通过插入汇编代码,测试有无volatile关键字,对程序最终代码的影响:
void main()
{
int i=10;
int a = i;
printf("i= %d",a);
//下面汇编语句的作用就是改变内存中i的值,但是又不让编译器知道
__asm {
mov dword ptr [ebp-4], 20h
}
int b = i;
printf("i= %d",b);
}
然后,在调试版本模式运行程序,输出结果如下:
i = 32
然后,在release版本模式运行程序,输出结果如下:
i = 10
i = 10
输出的结果明显表明,release模式下,编译器对代码进行了优化,第二次没有输出正确的i值。下面,我们把 i的声明加上volatile关键字,看看有什么变化:
void main()
{
volatile int i=10;
int a = i;
__asm {
mov dword ptr [ebp-4], 20h
}
int b = i;
printf("i= %d",b);
}
分别在调试版本和release版本运行程序,输出都是:
i = 10
i = 32
这说明这个关键字发挥了它的作用!
volatile对应的变量可能在你的程序本身不知道的情况下发生改变
比如多线程的程序,共同访问的内存当中,多个程序都可以操纵这个变量
你自己的程序,是无法判定何时这个变量会发生变化
还比如,他和一个外部设备的某个状态对应,当外部设备发生操作的时候,通过驱动程序和中断事件,系统改变了这个变量的数值,而你的程序并不知道。
对于volatile类型的变量,系统每次用到他的时候都是直接从对应的内存当中提取,而不会利用cache当中的原有数值,以适应它的未知何时会发生的变化,系统对这种变量的处理不会做优化——显然也是因为它的数值随时都可能变化的情况。
典型的例子
for ( int i=0; i<100000; i++);
这个语句用来测试空循环的速度的 但是编译器肯定要把它优化掉,根本就不执行
如果你写成
for ( volatile int i=0; i<100000; i++); 它就会执行了
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=;
int main(void)
{
...
while ()
{
if (i) dosomething();
}
} /* Interrupt service routine. */ void ISR_2(void)
{
i=;
}
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;
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。
考虑下面的代码:
class Gadget
{
public:
void Wait()
{
while (!flag_)
{
Sleep(); // sleeps for 1000 milliseconds
}
} void Wakeup()
{
flag_ = true;
} private:
bool flag_;
};
上面代码中Gadget::Wait的目的是每过一秒钟去检查一下flag_成员变量,当flag_被另一个线程设为true时,该函数才会返回。至少这是程序作者的意图,然而,这个Wait函数是错误的。
假设编译器发现Sleep(1000)是调用一个外部的库函数,它不会改变成员变量flag_,那么编译器就可以断定它可以把flag_缓存在寄存器中,以后可以访问该寄存器来代替访问较慢的主板上的内存。这对于单线程代码来说是一个很好的优化,但是在现在这种情况下,它破坏了程序的正确性:当你调用了某个Gadget的Wait函数后,即使另一个线程调用了Wakeup,Wait还是会一直循环下去。这是因为flag_的改变没有反映到缓存它的寄存器中去。编译器的优化未免有点太……乐观了。
在大多数情况下,把变量缓存在寄存器中是一个非常有价值的优化方法,如果不用的话很可惜。C和C++给你提供了显式禁用这种缓存优化的机会。如果你声明变量是使用了volatile修饰符,编译器就不会把这个变量缓存在寄存器里——每次访问都将去存取变量在内存中的实际位置。这样你要对Gadget的Wait/Wakeup做的修改就是给flag_加上正确的修饰:
class Gadget
{
public:
... as above ... private:
volatile bool flag_;
};
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