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C語言中volatile關(guān)鍵字的作用及說明

更新時間：2024年10月29日 14:31:05 作者：萊特昂

文中主要介紹了C語言中volatile關(guān)鍵字的含義和使用場景,volatile是一個類型修飾符,主要用來修飾被不同線程訪問和修改的變量,它的作用是防止編譯器對代碼進(jìn)行優(yōu)化,確保每次直接讀取原始內(nèi)存地址的值

volatile關(guān)鍵字的作用

在看C語言基礎(chǔ)知識的時候看到了volatile關(guān)鍵字，不是很理解，所以查了資料，總結(jié)一下。

volatile譯為：易變的

volatile是一個類型修飾符（type specifier），就像我們熟悉的const一樣，它是被設(shè)計用來修飾被不同線程訪問和修改的變量；
volatile的作用是作為指令關(guān)鍵字，確保本條指令不會因編譯器的優(yōu)化而省略，且要求每次直接讀值。

簡單地說就是防止編譯器對代碼進(jìn)行優(yōu)化。

比如如下程序：

XBYTE[2]=0x55;
XBYTE[2]=0x56;
XBYTE[2]=0x57;
XBYTE[2]=0x58;

對外部硬件而言，上述四條語句分別表示不同的操作，會產(chǎn)生四種不同的動作，但是編譯器卻會對上述四條語句進(jìn)行優(yōu)化，認(rèn)為只有XBYTE[2]=0x58（即忽略前三條語句，只產(chǎn)生一條機(jī)器代碼）。

如果鍵入volatile，則編譯器會逐一地進(jìn)行編譯并產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)器代碼（產(chǎn)生四條代碼）。

典型的例子

for(int i=0; i<100000; i++);

這個語句用來測試空循環(huán)的速度的

但是編譯器肯定要把它優(yōu)化掉，根本就不執(zhí)行

如果你寫成

for(volatile int i=0; i<100000; i++);

它就會執(zhí)行了

volatile的本意是“易變的”

下面是volatile變量的幾個例子：

1）并行設(shè)備的硬件寄存器（如：狀態(tài)寄存器）

2）一個中斷服務(wù)子程序中會訪問到的非自動變量（Non-automatic variables)

3）多線程應(yīng)用中被幾個任務(wù)共享的變量

一些相關(guān)的面試題

1）一個參數(shù)既可以是const還可以是volatile嗎？解釋為什么。

2）一個指針可以是volatile 嗎？解釋為什么。

3）下面的函數(shù)被用來計算某個整數(shù)的平方，它能實現(xiàn)預(yù)期設(shè)計目標(biāo)嗎？如果不能，試回答存在什么問題：

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

下面是答案：

1）是的。一個例子是只讀的狀態(tài)寄存器。它是volatile因為它可能被意想不到地改變。它是const因為程序不應(yīng)該試圖去修改它。

2）是的。盡管這并不很常見。一個例子是當(dāng)一個中斷服務(wù)子程序修改一個指向一個buffer的指針時。

3）這段代碼是個惡作劇。這段代碼的目的是用來返指針ptr指向值的平方，但是，由于ptr指向一個volatile型參數(shù)，編譯器將產(chǎn)生類似下面的代碼：

int square(volatile int* &ptr)//這里參數(shù)應(yīng)該申明為引用，不然函數(shù)體里只會使用副本，外部沒法更改

{
    int a,b;
    a = *ptr;
    b = *ptr;
    return a*b;
}

由于ptr的值可能在兩次取值語句之間發(fā)生改變，因此a和b可能是不同的。

結(jié)果，這段代碼可能返回的不是你所期望的平方值！

正確的代碼如下：

long square(volatile intptr)

{
    int a;
    a = *ptr;
    return a*a;
}

另外，還可能出現(xiàn)在debug版中看不出來，在release版中才顯現(xiàn)的問題：

#include<stdio.h>
void main(int argc,char *argv[])
{
 int i = 10;
 int a = i;
 printf("i=%d",a);
 //下面匯編語句的作用就是改變內(nèi)存中i的值，但是又不讓編譯器知道
__asm
    {
        mov dword ptr[ebp-4],20h
    }
    int b = i;
    printf("i=%d",b);
}

然后，在調(diào)試版本模式運行程序，輸出結(jié)果如下：

i = 10
i = 32

然后，在release版本模式運行程序，輸出結(jié)果如下：

i = 10
i = 10

輸出的結(jié)果明顯表明，release模式下，編譯器對代碼進(jìn)行了優(yōu)化，第二次沒有輸出正確的i值。

我們把 i的聲明加上volatile關(guān)鍵字，看看有什么變化：

#include<stdio.h>
void main(int argc,char *argv[])
{
    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);
}

分別在調(diào)試版本和release版本運行程序，輸出都是：

i = 10
i = 32

這說明這個關(guān)鍵字發(fā)揮了它的作用！

volatile應(yīng)該解釋為“直接存取原始內(nèi)存地址”比較合適，“易變的”這種解釋簡直有點誤導(dǎo)人；

比如多線程的程序，共同訪問的內(nèi)存當(dāng)中，多個程序都可以操縱這個變量

你自己的程序，是無法判定何時這個變量會發(fā)生變化

還比如，他和一個外部設(shè)備的某個狀態(tài)對應(yīng)，當(dāng)外部設(shè)備發(fā)生操作的時候，通過驅(qū)動程序和中斷事件，系統(tǒng)改變了這個變量的數(shù)值，而你的程序并不知道。

對于volatile類型的變量，系統(tǒng)每次用到他的時候都是直接從對應(yīng)的內(nèi)存當(dāng)中提取，而不會利用cache當(dāng)中的原有數(shù)值，以適應(yīng)它的未知何時會發(fā)生的變化，系統(tǒng)對這種變量的處理不會做優(yōu)化——顯然也是因為它的數(shù)值隨時都可能變化的情況。