C語言關鍵詞volatile的用法

EDN電子技術設計 2020-08-17 00:00

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許多程序員無法正確的理解C語言關鍵字volatile。這并不奇怪，大多數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，你是否經歷過下面的情況：

● 代碼執行正常–直到你打開了編譯器優化

● 代碼執行正常–直到打開了中斷

● 古怪的硬件驅動

● RTOS的任務獨立運行正常–直到生成了其他任務

如果你的回答是“yes”，很有可能你沒有使用C語言關鍵字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c語言書籍對volatile的藐視，只是簡單地一帶而過。

volatile是用于聲明變量時的使用限定符。它告訴編譯器該變量值可能隨時發生變化，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。

C語言關鍵字volatile語法

聲明一個變量為volatile，可以在數據類型之前或之后加上關鍵字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)，但我還是給出相應的語法。

int * volatile p;

順便提一下，關于為什么要在數據類型前使用volatile關鍵字，請自行百度搜素。

最后，如果你在struct或者union前使用volatile關鍵字，表明struct或者union的所有內容都是volatile。如果這不是你的本意，可以在struct或者union成員上使用volatile關鍵字。

正確使用C語言關鍵字volatile

只要變量可能被意外的修改，就需要把該變量聲明為volatile。實際應用中，只有三種類型數據可能被修改。

1. 外設寄存器地址映射

2. 在中斷服務程序中修改全局變量

3. 在多線程、多任務應用中，全局變量被多個任務讀寫

我們將分別討論上述三種情況。

外設寄存器

嵌入式系統包含真正的硬件，通常會有復雜的外設。這些外設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狀態寄存器的地址映射到0x1234.在程序中循環查看該狀態寄存器的值是否變為非0. 下面是最容易想到，但錯誤的實現方法

當你打開編譯器優化時，程序總是執行失敗。因為編譯器會生成下面的匯編代碼：

程序被優化的原因很簡單，既然已經把變量的值讀入累加器，就沒有必要重新寫一遍，編譯器認為值是不會變化的。就這樣，在第三行，程序進入了無限死循環。為了告訴編譯器我們的真正意圖，我們需要修改函數的聲明：

編譯器生成的匯編代碼：

像這樣，我們得到了正確的動作。

中斷服務程序

在中斷服務程序中，經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，在串口中斷服務程序中，可能會檢測是否接收到了ETX(假如是消息的結束標識符)字符。如果接收到了ETX，ISR設置一個全局標志位。

錯誤的做法：

在關閉編譯器優化的情況下，程序可能執行正常。然而，任何像樣點而優化都會“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，表達式!ext_rcvd始終為真，你將永遠無法退出循環。結果，循環后面的代碼可能被編譯器優化掉。幸運的話，你的編譯器可能會發出警告;不幸的話，(或者你不認真的查看編譯器警告)，你的程序無法正常執行。當然，你可以責怪編譯器執行了“糟糕的優化”。

解決方式是，將變量etx_rcvd聲明為volatile，所有問題(當然，也可能是部分)就消失了。

多線程應用

在實時系統中，盡管有像queues,pipes等這些同步機制，使用全局變量實現兩個任務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，或何時發生上下文切換。因此，從概念上講，多任務修改全局變量的的做法與中斷服務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該聲明為volatile。例如，下面的程序

當打開編譯器優化時，這段程序可能執行失敗。解決方法是將cntr聲明為volatile。

最后的思考

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，因為它會令你不再思考，當然，也會導致生成低效的代碼。

另外，也不要責怪優化器或直接把它關掉?，F代的優化器已經足夠優秀，我已經記不清上次遇到優化bug是什么時候了。相反，我常?？吹匠绦騿T們錯誤地使用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。

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以實踐為宗旨的ARM Linux開發講解，不針對特定開發板，以應用最廣泛的新一代ARM9處理器為講述對象。資料包括了嵌入式Linux系統移植，底層驅動實例的講解以及上層應用的實例講述。

《 ARM 嵌入式 Linux 系統開發從入門到精通》

第一部分講述ARM Linux系統移植，其中包括嵌入式系統開發入門，交叉編譯器的構建，BootLoader 的移植與實現以及Linux 2.6 內核的編譯與下載；

第二部分講述ARM Linux 的驅動程序開發，其中包括最常見的字符設備驅動的分析，塊設備驅動的分析以及網絡設備驅動的分析。其中每一種類型的驅動都是利用典型的實例來講述，使讀者充分了解驅動程序的實現思想；

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