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;

　　}

 关键在于两个地方：

 

1. 编译器的优化 (请高手帮我看看下面的理解)

   在本次线程内, 当读取一个变量时，为提高存取速度，编译器优化时有时会先把变量读取到一个寄存器中；以后，再取变量值时，就直接从寄存器中取值；

　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 = 10

　　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;

 　　printf("i= %d",a);

　　__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_;
};