書本里不會講的C語言關(guān)鍵詞volatile用法

許多程序員無法正確的理解C語言關(guān)鍵字volatile。這并不奇怪，大多數(shù)C原因書籍不過一兩句一帶而過。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)歷過下面的情況：

● 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

● 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”，很有可能你沒有使用C怨言關(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語言書籍對volatile的藐視，只是簡單地一帶而過。

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

聲明一個變量為volatile，可以在數(shù)據(jù)類型之前或之后加上關(guān)鍵字volatile。下面的語句，把foo聲明一個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。下面的語句，把pReg聲明為一個指向8-bit無符號指針，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(我只使用過一次)，但我還是給出相應(yīng)的語法。

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。

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

1. 外設(shè)寄存器地址映射

2. 在中斷服務(wù)程序中修改全局變量

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

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。舉個簡單的例子，我們要把一個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?. 下面是最容易想到，但錯誤的實(shí)現(xiàn)方法

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

程序被優(yōu)化的原因很簡單，既然已經(jīng)把變量的值讀入累加器，就沒有必要重新一遍，編譯器認(rèn)為值是不會變化的。就這樣，在第三行，程序進(jìn)入了無限死循環(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作。

中斷服務(wù)程序

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

錯誤的做法：

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“break”這段程序。問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，所有問題(當(dāng)然，也可能是部分)就消失了。

多線程應(yīng)用

在實(shí)時系統(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，你的編譯器依然無法知道什么是上下文切換，或何時發(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，這段程序可能執(zhí)行失敗。解決方法是將cntr聲明為volatile。

一些編譯器允許你把所有的變量隱式的聲明為volatile。請抵制這種誘惑，因?yàn)樗鼤钅悴辉偎伎?，?dāng)然，也會導(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?，F(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是什么時候了。相反，我常?？吹匠绦騿T們錯誤的使用volatile。

如果你被要求去修改一個很古怪的代碼，請在程序中查找一下volatile關(guān)鍵字，如果你什么也沒有找到上面討論的例子可以向你提供一些解決問題的思路。