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volatile 關鍵字,volatile

編輯:C++入門知識

volatile 關鍵字,volatile


就象大家更熟悉的const一樣,volatile是一個類型修飾符(type specifier)。它是被設計用來修飾被不同線程訪問和修改的變量。如果沒有volatile,基本上會導致這樣的結果:要麼無法編寫多線程程序,要麼編譯器失去大量優化的機會。

      一個定義為volatile的變量是說這變量可能會被意想不到地改變,這樣,編譯器就不會去假設這個變量的值了。精確地說就是,優化器在用到這個變量時必須每次都小心地重新讀取這個變量的值,而不是使用保存在寄存器裡的備份。下面是volatile變量的幾個例子:

  1). 並行設備的硬件寄存器(如:狀態寄存器) 

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

  3). 多線程應用中被幾個任務共享的變量

 

  1). 一個參數既可以是const還可以是volatile嗎?解釋為什麼。

  2). 一個指針可以是volatile 嗎?解釋為什麼。 

  3). 下面的函數有什麼錯誤:

  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因為程序不應該試圖去修改它。

  2). 是的。盡管這並不很常見。一個例子是當一個中斷服務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,由於*ptr指向一個volatile型參數,編譯器將產生類似下面的代碼:

  int square(volatile int *ptr)

  {

    int a,b;

    a = *ptr;

    b = *ptr;

    return a * b;

  }

  由於*ptr的值可能被意想不到地該變(並不是因為是volatile才可能被意想不到的被改變,而是因為肯被意想不到的被改變才定義為volatile),因此a和b可能是不同的。結果,這段代碼可能返不是你所期望的平方值!正確的代碼如下:

  long square(volatile int *ptr)

  {

    int a;

    a = *ptr;

    return a * a;

  }

 關鍵在於兩個地方:  

1. 編譯器的優化 (請高手幫我看看下面的理解)

   在本次線程內, 當讀取一個變量時,為提高存取速度,編譯器優化時有時會先把變量讀取到一個寄存器中;以後,再取變量值時,就直接從寄存器中取值;

 當變量值在本線程裡改變時,會同時把變量的新值copy到該寄存器中,以便保持一致

 當變量在因別的線程等而改變了值,該寄存器的值不會相應改變,從而造成應用程序讀取的值和實際的變量值不一致

 當該寄存器在因別的線程等而改變了值,原變量的值不會改變,從而造成應用程序讀取的值和實際的變量值不一致

 

2. 在什麼情況下會出現(如1樓所說)

  1). 並行設備的硬件寄存器(如:狀態寄存器)

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

  3). 多線程應用中被幾個任務共享的變量

  補充: volatile應該解釋為“直接存取原始內存地址”比較合適,“易變的”這種解釋簡直有點誤導人;

  “易變”是因為外在因素引起的,象多線程,中斷等,並不是因為用volatile修飾了的變量就是“易變”了,假如沒有外因,即使用volatile定義,它也不會變化;

  而用volatile定義之後,其實這個變量就不會因外因而變化了,可以放心使用了

 

  ------------簡明示例如下:------------------

 

  volatile關鍵字是一種類型修飾符,用它聲明的類型變量表示可以被某些編譯器未知的因素更改,比如:操作系統、硬件或者其它線程等。遇到這個關鍵字聲明的變量,編譯器對訪問該變量的代碼就不再進行優化,從而可以提供對特殊地址的穩定訪問。 

  使用該關鍵字的例子如下:

  int volatile nVint;

  >>>>當要求使用volatile 聲明的變量的值的時候,系統總是重新從它所在的內存讀取數據,即使它前面的指令剛剛從該處讀取過數據。而且讀取的數據立刻被保存。

  例如:

  volatile int i=10;

  int a = i;

  ...

  //其他代碼,並未明確告訴編譯器,對i進行過操作

  int b = i; 

  >>>>volatile 指出 i是隨時可能發生變化的,每次使用它的時候必須從i的地址中讀取,因而編譯器生成的匯編代碼會重新從i的地址讀取數據放在b中。而優化做法是,由於編譯器發現兩次從i讀數據的代碼之間的代碼沒有對i進行過操作,它會自動把上次讀的數據放在b中。而不是重新從i裡面讀。這樣以來,如果i是一個寄存器變量或者表示一個端口數據就容易出錯,所以說volatile可以保證對特殊地址的穩定訪問。

  >>>>注意,在vc6中,一般調試模式沒有進行代碼優化,所以這個關鍵字的作用看不出來。下面通過插入匯編代碼,測試有無volatile關鍵字,對程序最終代碼的影響:

  void main()

  {

  int i=10;

  int a = i;

  printf("i= %d",a);

  //下面匯編語句的作用就是改變內存中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);

  }

 然後,在調試版本模式運行程序,輸出結果如下:

    i = 10

  i = 32

 然後,在release版本模式運行程序,輸出結果如下:

  i = 10

  i = 10

  輸出的結果明顯表明,release模式下,編譯器對代碼進行了優化,第二次沒有輸出正確的i值。下面,我們把 i的聲明加上volatile關鍵字,看看有什麼變化:

  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); 

  }

  分別在調試版本和release版本運行程序,輸出都是:

  i = 10

  i = 32

  這說明這個關鍵字發揮了它的作用!

 

volatile對應的變量可能在你的程序本身不知道的情況下發生改變

  比如多線程的程序,共同訪問的內存當中,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生變化

  還比如,他和一個外部設備的某個狀態對應,當外部設備發生操作的時候,通過驅動程序和中斷事件,系統改變了這個變量的數值,而你的程序並不知道。

  對於volatile類型的變量,系統每次用到他的時候都是直接從對應的內存當中提取,而不會利用cache當中的原有數值,以適應它的未知何時會發生的變化,系統對這種變量的處理不會做優化——顯然也是因為它的數值隨時都可能變化的情況。

 

典型的例子

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

  這個語句用來測試空循環的速度的    但是編譯器肯定要把它優化掉,根本就不執行

  如果你寫成

  for ( volatile int i=0; i<100000; i++);  它就會執行了

  volatile的本意是“易變的”,由於訪問寄存器的速度要快過RAM,所以編譯器一般都會作減少存取外部RAM的優化。比如:

static int i=0;
int main(void) 
{
  ...
  while (1)
  {
    if (i) dosomething(); 
  } 
}

 
/* Interrupt service routine. */

void ISR_2(void)
{
  i=1;
}

  程序的本意是希望ISR_2中斷產生時,在main當中調用dosomething函數,但是,由於編譯器判斷在main函數裡面沒有修改過i,因此可能只執行一次對從i到某寄存器的讀操作,然後每次if判斷都只使用這個寄存器裡面的“i副本”,導致dosomething永遠也不會被調用。如果將將變量加上volatile修飾,則編譯器保證對此變量的讀寫操作都不會被優化(肯定執行)。此例中i也應該如此說明。

  一般說來,volatile用在如下的幾個地方:

  1、中斷服務程序中修改的供其它程序檢測的變量需要加volatile;

  2、多任務環境下各任務間共享的標志應該加volatile;

  3、存儲器映射的硬件寄存器通常也要加volatile說明,因為每次對它的讀寫都可能由不同意義;

 

  另外,以上這幾種情況經常還要同時考慮數據的完整性(相互關聯的幾個標志讀了一半被打斷了重寫),在1中可以通過關中斷來實現,2中可以禁止任務調度,3中則只能依靠硬件的良好設計了。

  考慮下面的代碼:

class Gadget
{
public:
  void Wait()
  {
      while (!flag_)
        {
              Sleep(1000); // sleeps for 1000 milliseconds
        }
     }

  void Wakeup()
  {
      flag_ = true;
  }
 
private:
  bool flag_;
};        

  上面代碼中Gadget::Wait的目的是每過一秒鐘去檢查一下flag_成員變量,當flag_被另一個線程設為true時,該函數才會返回。至少這是程序作者的意圖,然而,這個Wait函數是錯誤的。

  假設編譯器發現Sleep(1000)是調用一個外部的庫函數,它不會改變成員變量flag_,那麼編譯器就可以斷定它可以把flag_緩存在寄存器中,以後可以訪問該寄存器來代替訪問較慢的主板上的內存。這對於單線程代碼來說是一個很好的優化,但是在現在這種情況下,它破壞了程序的正確性:當你調用了某個Gadget的Wait函數後,即使另一個線程調用了Wakeup,Wait還是會一直循環下去。這是因為flag_的改變沒有反映到緩存它的寄存器中去。編譯器的優化未免有點太……樂觀了。

  在大多數情況下,把變量緩存在寄存器中是一個非常有價值的優化方法,如果不用的話很可惜。C和C++給你提供了顯式禁用這種緩存優化的機會。如果你聲明變量是使用了volatile修飾符,編譯器就不會把這個變量緩存在寄存器裡——每次訪問都將去存取變量在內存中的實際位置。這樣你要對Gadget的Wait/Wakeup做的修改就是給flag_加上正確的修飾:

class Gadget
{
public:
  ... as above ...
 
private:
  volatile bool flag_;
};

 

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