那些書本上都沒(méi)有提到的C語(yǔ)言volatile用法

許多程序員都無(wú)法正確理解C語(yǔ)言關(guān)鍵字volatile，這并不奇怪。因?yàn)榇蠖鄶?shù)C語(yǔ)言書籍通常都是一兩句一帶而過(guò)，本文將告訴你如何正確使用它。

在C/C++嵌入式代碼中，你是否經(jīng)歷過(guò)以下情況：

代碼執(zhí)行正常–直到你打開了編譯器優(yōu)化

代碼執(zhí)行正常–直到打開了中斷

古怪的硬件驅(qū)動(dòng)

RTOS的任務(wù)獨(dú)立運(yùn)行正常–直到生成了其他任務(wù)

如果你的回答是“yes”，很有可能你沒(méi)有使用C語(yǔ)言關(guān)鍵字volatile。你并不是唯一的，很多程序員都不能正確使用volatile。不幸的是，大多數(shù)c語(yǔ)言書籍對(duì)volatile的藐視，只是簡(jiǎn)單地一帶而過(guò)。

volatile用于聲明變量時(shí)的使用的限定符。它告訴編譯器該變量值可能隨時(shí)發(fā)生變化，且這種變化并不是代碼引起的。給編譯器這個(gè)暗示是很重要的。在開始前，我們向來(lái)看一看volatile的語(yǔ)法。

C語(yǔ)言關(guān)鍵字volatile語(yǔ)法

聲明一個(gè)變量為volatile，可以在數(shù)據(jù)類型之前或之后加上關(guān)鍵字volatile。下面的語(yǔ)句，把foo聲明一個(gè)volatile的整型。

volatile int foo;int volatile foo;

把指針指向的變量聲明為volatile很常見，尤其是I/O寄存器的地址映射。下面的語(yǔ)句，把pReg聲明為一個(gè)指向8-bit無(wú)符號(hào)指針，指針指向的內(nèi)容為volatile。

volatile uint8_t * pReg;uint8_t volatile * pReg;

volatile的指針指向非volatile的變量很少見（我只使用過(guò)一次），但我還是給出相應(yīng)的語(yǔ)法。

int * volatile p;

順便提一下，關(guān)于為什么要在數(shù)據(jù)類型前使用volatile關(guān)鍵字，請(qǐng)自行百度搜素。

最后，如果你再struct或者union前使用volatile關(guān)鍵字，表明struct或者union的所有內(nèi)容都是volatile。如果這不是你的本意，可以在struct或者union成員上使用volatile關(guān)鍵字。

正確使用C語(yǔ)言關(guān)鍵字volatile

只要變量可能被意外的修改，就需要把該變量聲明為volatile。在實(shí)際應(yīng)用中，只有三種類型數(shù)據(jù)可能被修改：

外設(shè)寄存器地址映射

在中斷服務(wù)程序中修改全局變量

在多線程、多任務(wù)應(yīng)用中，全局變量被多個(gè)任務(wù)讀寫

接下來(lái)，我們將分別討論上述三種情況。

外設(shè)寄存器

嵌入式系統(tǒng)包含真正的硬件，通常會(huì)有復(fù)雜的外設(shè)。這些外設(shè)寄存器的值可能被異步的修改。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，我們要把一個(gè)8-bit狀態(tài)寄存器的地址映射到0x1234。在程序中循環(huán)查看該狀態(tài)寄存器的值是否變?yōu)榉?。C語(yǔ)言操作寄存器的手法，可以參考這篇文章：C語(yǔ)言操作寄存器的常見手法。

下面是最容易想到，但錯(cuò)誤的實(shí)現(xiàn)方法：

當(dāng)你打開編譯器優(yōu)化時(shí)，程序總是執(zhí)行失敗。因?yàn)榫幾g器會(huì)生成下面的匯編代碼：

程序被優(yōu)化的原因很簡(jiǎn)單，既然已經(jīng)把變量的值讀入累加器，就沒(méi)有必要重新一遍，編譯器認(rèn)為值是不會(huì)變化的。就這樣，在第三行，程序進(jìn)入了無(wú)限死循環(huán)。為了告訴編譯器我們的真正意圖，我們需要修改函數(shù)的聲明：

編譯器生成的匯編代碼：

像這樣，我們得到了正確的動(dòng)作。

中斷服務(wù)程序

在中斷服務(wù)程序中，經(jīng)常會(huì)修改一些全局變量值，來(lái)作為主程序中的判斷條件。例如，在串口中斷服務(wù)程序中，可能會(huì)檢測(cè)是否接收到了ETX（假如是消息的結(jié)束標(biāo)識(shí)符）字符。如果接收到了ETX，ISR設(shè)置一個(gè)全局標(biāo)志位。

錯(cuò)誤的做法：

在關(guān)閉編譯器優(yōu)化的情況下，程序可能執(zhí)行正常。然而，任何像樣點(diǎn)而優(yōu)化都會(huì)“break”這段程序。問(wèn)題是編譯器并不知道etx_rcvd可能被ISR中被修改。編譯器只知道，表達(dá)式！ext_rcvd始終為真，你講用于無(wú)法退出循環(huán)。結(jié)果，循環(huán)后面的代碼可能被編譯器優(yōu)化掉。

幸運(yùn)的話，你的編譯器可能會(huì)發(fā)出警告；不幸的話，（或者你不認(rèn)真的查看編譯器警告），你的程序無(wú)法正常執(zhí)行。當(dāng)然，你可以責(zé)怪編譯器執(zhí)行了“糟糕的優(yōu)化”。

解決方式是，將變量etx_rcvd聲明為volatile，所有問(wèn)題（當(dāng)然，也可能是部分問(wèn)題）就消失了。

多線程應(yīng)用

在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，盡管有想queues，pipes等這些同步機(jī)制，使用全局變量實(shí)現(xiàn)兩個(gè)任務(wù)共享信息的做法依然很常見。即使在你的程序中加入了搶占式調(diào)度器，你的編譯器依然無(wú)法知道什么是上下文切換，或何時(shí)發(fā)生上下文切換。因此從概念上講，多任務(wù)修改全局變量的的做法與中斷服務(wù)程序中修改全局變量的做法是相同的。

因此，所有這類全局變量都應(yīng)該聲明為volatile。

例如下面的程序：

當(dāng)打開編譯器優(yōu)化時(shí)，這段程序可能執(zhí)行失敗。解決方法是將cntr聲明為volatile。

總結(jié)

一些編譯器允許你把所有的變量隱式的聲明為volatile。請(qǐng)抵制這種誘惑，因?yàn)樗鼤?huì)令你不再思考，當(dāng)然也會(huì)導(dǎo)致生成低效的代碼。

另外，也不要責(zé)怪優(yōu)化器或直接把它關(guān)掉。現(xiàn)代的優(yōu)化器已經(jīng)足夠優(yōu)秀，我已經(jīng)記不清上次遇到優(yōu)化bug是什么時(shí)候了。相反，我常?？吹匠绦騿T們錯(cuò)誤的使用volatile。

如果你被要求去修改一個(gè)很古怪的代碼，請(qǐng)?jiān)诔绦蛑胁檎乙幌聉olatile關(guān)鍵字；如果你什么也沒(méi)有找到，上面討論的例子可以向你提供一些解決問(wèn)題的思路。
編輯：jq