加载中…
个人资料
liht1634
liht1634
  • 博客等级:
  • 博客积分:0
  • 博客访问:223,741
  • 关注人气:58
  • 获赠金笔:0支
  • 赠出金笔:0支
  • 荣誉徽章:
相关博文
推荐博文
正文 字体大小:

C语言-volatile关键字

(2015-01-06 14:47:14)
标签:

c程序volatile关键字

分类: 编程类
目录:
一、简述volatile
二、volatile 的含义
三、编译器优化 → C关键字volatile → memory破坏描述符
1、编译器优化介绍 
2、C语言关键字volatile
3、Memory 
四、volatile程序匠人实例讲解
五、对(*(volatile unsigned long *)) 的理解
------------------------------------------------------------------------------------------------------ 一、简述volatile
volatile int i=10;
int j = i;
...
int k = i;

volatile 告诉编译器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,因而编译器生成的可执行码会重新从i的地址读取数据放在k中。

volatile 影响编译器编译的结果,指出,volatile 变量是随时可能发生变化的,与volatile变量有关的运算,不要进行编译优化,以免出错,(VC++ 在产生release版可执行码时会进行编译优化,加volatile关键字的变量有关的运算,将不进行编译优化。)。

其中编译器编译优化是:
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k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,不会出错。

    volatile提醒编译器它后面所定义的变量随时都有可能改变,因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候,都会直接从变量地址中读取数据。如果没有volatile关键字,则编译器可能优化读取和存储,可能暂时使用寄存器中的值,如果这个变量由别的程序更新了的话,将出现不一致的现象。volatile应该解释为“直接存取原始内存地址”比较合适。
下面举例说明。在DSP开发中,经常需要等待某个事件的触发,所以经常会写出这样的程序:
short flag;
void test()
{
    do1();
    while(flag==0);
    do2();
}

       这段程序等待内存变量flag的值变为1(怀疑此处是0,有点疑问,)之后才运行do2()。变量flag的值由别的程序更改,这个程序可能是某个硬件中断服务程序。例如:如果某个按钮按下的话,就会对DSP产生中断,在按键中断程序中修改flag为1,这样上面的程序就能够得以继续运行。但是,编译器并不知道flag的值会被别的程序修改,因此在它进行优化的时候,可能会把flag的值先读入某个寄存器,然后等待那个寄存器变为1。如果不幸进行了这样的优化,那么while循环就变成了死循环,因为寄存器的内容不可能被中断服务程序修改。为了让程序每次都读取真正flag变量的值,就需要定义为如下形式:
volatile short flag;
       需要注意的是,没有volatile也可能能正常运行,但是可能修改了编译器的优化级别之后就又不能正常运行了。因此经常会出现debug版本正常,但是release版本却不能正常的问题。所以为了安全起见,只要是等待别的程序修改某个变量的话,就加上volatile关键字。
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;
int main(void)
{
    ...
    while (1)
    {
        if (i) do_something();
    }
}

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do_something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do_something永远也不会被调用。如果变量加上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有不同意义;
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。

------------------------------------------------------------------------------------------------------ 二、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。 
       前面有人说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, x
inc x
mov x, jiffies
作用相同,但一条指令反而不如三条指令快。

------------------------------------------------------------------------------------------------------ 三、编译器优化 → C关键字volatile → memory破坏描述符     “memory”比较特殊,可能是内嵌汇编中最难懂部分。为解释清楚它,先介绍一下编译器的优化知识,再看C关键字volatile。最后去看该描述符。 
1、编译器优化介绍 
       内存访问速度远不及CPU处理速度,为提高机器整体性能,在硬件上引入硬件高速缓存Cache,加速对内存的访问。另外在现代CPU中指令的执行并不一定严格按照顺序执行,没有相关性的指令可以乱序执行,以充分利用CPU的指令流水线,提高执行速度。以上是硬件级别的优化。再看软件一级的优化:一种是在编写代码时由程序员优化,另一种是由编译器进行优化。编译器优化常用的方法有:将内存变量缓存到寄存器;调整指令顺序充分利用CPU指令流水线,常见的是重新排序读写指令。对常规内存进行优化的时候,这些优化是透明的,而且效率很好。由编译器优化或者硬件重新排序引起的问题的解决办法是在从硬件(或者其他处理器)的角度看必须以特定顺序执行的操作之间设置内存屏障(memory barrier),linux 提供了一个宏解决编译器的执行顺序问题。 
void Barrier(void)
       这个函数通知编译器插入一个内存屏障,但对硬件无效,编译后的代码会把当前CPU寄存器中的所有修改过的数值存入内存,需要这些数据的时候再重新从内存中读出。 
-------------------------------------- 2、C语言关键字volatile 
       C语言关键字volatile(注意它是用来修饰变量而不是上面介绍的__volatile__)表明某个变量的值可能在外部被改变,因此对这些变量的存取不能缓存到寄存器,每次使用时需要重新存取。该关键字在多线程环境下经常使用,因为在编写多线程的程序时,同一个变量可能被多个线程修改,而程序通过该变量同步各个线程,例如: 
DWORD __stdcall threadFunc(LPVOID signal)
{
    int* intSignal=reinterpret_cast(signal);
    *intSignal=2;
    while(*intSignal!=1)
    sleep(1000);
    return 0;
}
     该线程启动时将intSignal 置为2,然后循环等待直到intSignal 为1 时退出。显然intSignal的值必须在外部被改变,否则该线程不会退出。但是实际运行的时候该线程却不会退出,即使在外部将它的值改为1,看一下对应的伪汇编代码就明白了: 
mov ax,signal
label:
if(ax!=1)
goto label
     对于C编译器来说,它并不知道这个值会被其他线程修改。自然就把它cache在寄存器里面。记住,C 编译器是没有线程概念的!这时候就需要用到volatile。volatile 的本意是指:这个值可能会在当前线程外部被改变。也就是说,我们要在threadFunc中的intSignal前面加上volatile关键字,这时候,编译器知道该变量的值会在外部改变,因此每次访问该变量时会重新读取,所作的循环变为如下面伪码所示: 
label:
mov ax,signal
if(ax!=1)
goto label
-------------------------------------- 3、Memory 
      有了上面的知识就不难理解Memory修改描述符了,Memory描述符告知GCC: 
1)不要将该段内嵌汇编指令与前面的指令重新排序;也就是在执行内嵌汇编代码之前,它前面的指令都执行完毕
2)不要将变量缓存到寄存器,因为这段代码可能会用到内存变量,而这些内存变量会以不可预知的方式发生改变,因此GCC插入必要的代码先将缓存到寄存器的变量值写回内存,如果后面又访问这些变量,需要重新访问内存。
        如果汇编指令修改了内存,但是GCC 本身却察觉不到,因为在输出部分没有描述,此时就需要在修改描述部分增加“memory”,告诉GCC 内存已经被修改,GCC 得知这个信息后,就会在这段指令之前,插入必要的指令将前面因为优化Cache 到寄存器中的变量值先写回内存,如果以后又要使用这些变量再重新读取。 
        使用“volatile”也可以达到这个目的,但是我们在每个变量前增加该关键字,不如使用“memory”方便。http://www.360doc.com/content/12/0407/10/9400799_201603894.shtml

------------------------------------------------------------------------------------------------------ 四、volatile程序匠人实例讲解
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       MOV     R6,#HIGH xdata_junk
0002 7F00       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       MOV     t1,A

000B F500       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       MOV     R6,#HIGH xdata_junk
0002 7F00       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       MOV     t1,A        a处

000B E0            MOVX    A,@DPTR
000C F500       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;
    if (var_0)  {
      var_1 = 1; //a处
      
      values = 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 = var;得到的还是values = 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。

在Keil C51标准库ABSACC.H中定义了一些宏,利用这些宏我们以绝对地址方式访问51的存储器。这几个宏分别是:
#define CBYTE ((unsigned char volatile code  *) 0)
#define DBYTE ((unsigned char volatile data  *) 0)
#define PBYTE ((unsigned char volatile pdata *) 0)
#define XBYTE ((unsigned char volatile xdata *) 0)

#define CWORD ((unsigned int volatile code  *) 0)
#define DWORD ((unsigned int volatile data  *) 0)
#define PWORD ((unsigned int volatile pdata *) 0)
#define XWORD ((unsigned int volatile xdata *) 0)

以DBYTE为例,((unsigned char volatile data  *) 0)定义了一个值为零的指针,该指针指向data内部RAM存储区的一个易变无符号单字节变量。
当我们以DBYTE[0x20]这样类似于数组的方式使用它时,根据C语言中对指针索引的解释方式,它访问的是*(((unsigned char volatile data  *) 0) + 0x20),简化为*(0 + 0x20),即*(0x20),就是data内部RAM存储区0x20地址处的单字节变量。

?WORD宏和?BYTE的区别在于起始地址。以DWORD为例,如果我们访问DWORD[0x20],由于unsigned int在C51中为两字节长,因此DWORD[0x20]其实访问的是data存储区0x40地址开始的两字节无符号整形变量。

code/data/pdata/xdata在C51中分别代表代码区/内部RAM/按页访问的外部RAM/外部RAM四种存储区访问方式。
-----------------------------------------
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++;  程序不能进入v_IntOccured();
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++  程序可以进入v_IntOccured();
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();

------------------------------------------------------------------------------------------------------ 五、对(*(volatile unsigned long *)) 的理解
------------------------------------------------------------------------------------------------------

0

阅读 评论 收藏 转载 喜欢 打印举报/Report
  • 评论加载中,请稍候...
发评论

    发评论

    以上网友发言只代表其个人观点,不代表新浪网的观点或立场。

      

    新浪BLOG意见反馈留言板 欢迎批评指正

    新浪简介 | About Sina | 广告服务 | 联系我们 | 招聘信息 | 网站律师 | SINA English | 会员注册 | 产品答疑

    新浪公司 版权所有