C/C++中volatile的用法

代码编译环境：Windows7 32bits+VS2012。

volatile是“易变的”、“不稳定”的意思。volatile是C/C++的一个较为少用的关键字，它用来解决变量在“共享”环境下容易出现的读取错误的问题。

1.volatile的作用

定义为volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变，编译器在优化时，用到这个变量每次都从重新从RAM读取这个变量的值，而不是使用保存在寄存器里的备份。

在单任务的环境中，一个函数体内部，如果在两次读取变量的值之间的语句没有对变量的值进行修改，那么编译器就会设法对可执行代码进行优化。由于访问寄存器的速度要快过RAM（从RAM中读取变量的值到寄存器），以后只要变量的值没有改变，就一直从寄存器中读取变量的值，而不对RAM进行访问。

而在多任务环境中，虽然在一个函数体内部，在两次读取变量之间没有对变量的值进行修改，但是该变量仍然有可能被其他的程序（如中断程序、另外的线程等）所修改。如果这厮还是从寄存器而不是从RAM中读取变量的值，就会出现被修改了的比阿郎的之不能及时的反应的问题。如下程序对这一现象进行了模拟：

#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc,char* argv[])
{
int i=10;
int a=i;
cout<<a<<endl;
_asm{
mov dword ptr [ebp-4],80
}
int b=i;
cout<<b<<endl;
getchar();
}

程序在VS2012环境下生成Release版本，输出结果是：

10

10

阅读以上程序，注意以下几个要点：

（1）以上代码必须在release模式下考查，因为只有Release模式下才会对程序代码进行优化，而这种优化在变量共享的环境下容易引发问题。

（2）在语句b=i；之前，已经通过内联汇编代码修改了i的值，但是i的变化却没有反映到b中，如果i是一个被多个任务共享的变量，这种优化带来的错误很可能是致命的。

（3）汇编代码[ebp-4]表示变量i的存储单元，因为ebp是扩展基址指针寄存器，存放函数所属栈的栈底地址，先入栈，占用4个字节。随着函数内申明的局部变量的增多，esp（栈顶指针寄存器）就会相应的减小，因为栈的生长方向由高地址向低地址生长。i为第一个变量，占空间已被ebp入栈占用了4个字节，所以i的地址为ebp-i，[ebp-i]则表示变量i的存储单元。

那如何抑制编译器对读取变量的这种优化，来防止错误读取呢？

volatile可以轻松胜任，将上面的程序稍作修改，将变量i前申明为volatile即可，观察如下程序：

#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc,char* argv[])
{
volatile int i=10;
int a=i;
cout<<a<<endl;
_asm{
mov dword ptr [ebp-4],80
}
int b=i;
cout<<b<<endl;
getchar();
}

程序输出结果为：

10

80

也就是说，第二次读取变量i的值的时候，已经获得了变化之后的值。跟踪汇编代码可知，凡是申明为volatile的变量，每次都是从内存中读取变量的值，而不是在某些情况下直接从寄存器中取值。

2. volatile变量的应用场合

（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。

上面这个问题是区分C/C++程序员和嵌入式系统程序员的最基本的问题。搞嵌入式的家伙们经常同硬件、中断、RTOS等等打交道，所有这些都要求用到volatile变量。不懂得volatile的内容将会带来灾难。

下面的问题可以看一下面试者伙是不是直正懂得volatile的重要性。

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服务子程序修该一个指向一个buffer的指针时。

3)这段代码有点变态。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，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;
}

3.嵌入式编程中volatile的作用

嵌入式编程中经常用到 volatile这个关键字，在网上查了下他的用法可以归结为以下两点：

（1）告诉compiler不能做任何优化

比如要往某一地址送两指令：

int *ip =...; //设备地址
*ip = 1; //第一个指令
*ip = 2; //第二个指令

以上程序compiler可能做优化而成：

int *ip = ...;
*ip = 2;

结果第一个指令丢失。如果用volatile, compiler就不允许做任何的优化，从而保证程序的原意：

volatile int *ip = ...;
*ip = 1;
*ip = 2;

即使你要compiler做优化，它也不会把两次赋值语句间化为最后一句，它只能做其它的优化。这对device driver程序员很有用。

（2）表示用volatile定义的变量会在程序外被改变,每次都必须从内存中读取，而不能把他放在cache或寄存器中重复使用。如：

volatile char a;
a=0;
while(!a)
{
//do some things;
}
doother();

如果没有 volatile，doother()不会被执行

参考文献：

[1] ]陈刚.C++高级进阶教程[M].武汉：武汉大学出版社，2008.

[2]http://www.cnblogs.com/chio/archive/2007/11/24/970632.html

[3]http://www.360doc.com/content/13/0309/22/9290626_270468335.shtml