C语言volatile关键字详解

C语言volatile关键字详解1.volatile和什么有关百度翻译是这样子翻译volatile的:图1-1百度翻译volatile截图volatile属于C语言的关键字,《CPrimerPuls》是这样解释关键字的:关键字是C语言的词汇,由于编译器…

大家好,又见面了,我是你们的朋友全栈君。

1.volatile和什么有关

百度翻译是这样子翻译volatile的:

C语言volatile关键字详解

                                                                             图1-1 百度翻译volatile截图 

volatile属于C语言的关键字,《C Primer Puls》 是这样解释关键字的:关键字是C语言的词汇,由于编译器不具备真正的智能,所以你必须用编译器能理解的术语表示你的意图。开发者告诉编译器该变量是易变的,无非就是希望编译器去注意该变量的状态,时刻注意该变量是易变的,每次读取该变量的值都重新从内存中读取。(ahhhh,是不是一脸蒙蔽,举个例子吧)

int i = 10;
int main(void){

    int a, b;

    a = i;
    ...//伪代码,里面不含有对 a 、 b 以及 i的操作
    b = i;

    if(a == b){
        printf("a = b");
    }
    else {
        printf("a != b");
    }
    
    return 0;
}

如上代码,如果选择编译器优化,可能会被编译成如下代码(当然不是在C语言层面上优化,而是在汇编过程优化,只是使用C程序举例):

int i = 10;
int main(void){

    int a, b;

    a = i;
    ...//伪代码,里面不含有对 a 、 b 以及 i的操作
    b = i;

    printf("a = b");
   
    return 0;
}

因为在仅仅从main主函数来看,a == b是必然的,那么在什么情况,a 和 b不是必然相等呢?

1. i 是其他子线程与主线程共享的全局变量,其他子线程有可能修改 i 值;

2. i 是中断函数与主函数共享的全局变量,中断函数有可能修改 i 值;

3. i 属于硬件寄存器,CPU可能通过硬件直接改变 i 的值(例如寄存器的标志位)

但是仔细想一想,好像我们都遇到过上述情况,也没有对相对应的变量使用volatile修饰呀?也没出现奇怪的问题呀?本小白猜测,大佬您是不是没有开启编译器优化,编译器其实是默认不优化的,这对入门者是友好的,但是当进入企业开发中,我们可能就会遇到 leader 在编译源码时,选择了编译器优化,以减少可执行程序大小和提高性能,这时候我们就不得不去考虑编译器优化问题,如何启动编译器优化,我们结合 GCC 编译器和 keil 开发软件讲解。

使用GCC编译器时,在编译脚本命令加入 -On  ; n: 0 ~ 3,数字代表优化等级,数字越大,优化级别越高。

例如:

gcc -O2 -O hello hello.c

使用 O2 优化级别编译 hello.c 

使用keil 软件,我们可以通过如下操作选择优化级别:

C语言volatile关键字详解

2.volatile关键字什么情况下要用

此博文为了限幅,达到更好的阅读效果,仅仅对如下几个方面进行简单分析,如需更加深入了解,可以访问实验博文进行查看。

2.1自定义延时函数

#include <stdio.h>

void delay(long val);
int main(){
					
	delay(1000000);

	return 0;
}

void delay(long val){

	while(val--);
}

相信大佬们对如上程序都挺熟悉的,特别是玩过单片机的同学,主要是通过CPU不断进行无意义的操作达到延时的效果,这种操作如果不启用编译器优化是可以达到预期效果的,但是启用编译器优化就会被优化成如下效果(当然不是在C语言层面上优化,而是在汇编过程优化,只是使用C程序举例):

#include <stdio.h>

void delay(long val);
int main(){
					
	delay(1000000);

	return 0;
}

void delay(long val){

	;
}

这个时候,delay函数就起不了效果了,需要使用 volatile 修饰 val ;具体可见:

编译器优化对自定义延时程序的影响(volatile详解实验一)

 

2.2多线程共享的全局变量

多线程数据安全问题一直是计算机领域十分常见的问题,为了解决这类问题,衍生出互斥锁、条件变量、临界区以及自旋锁等解决办法,如上都是为了线程数据同步,但是要做到线程数据同步,我们还需要注意一个编译器优化问题。

我们都知道,每一个线程虽然共享一个进程的资源,但是每个线程同样拥有自己的私有堆栈,保证每个线程函数中定义的局部变量相互之间不可见;线程间通信是十分简单的,其中一个十分常见的方式就是通过共享全局变量,全局变量对于每一个线程都是可见的,但是线程的每一次读写全局变量都是对全局变量直接操作吗,答案是否定的。

例如下面这个操作(伪代码):

//一个全局变量a
int a = 1;

int main(){

    int b,c,d,e,f;
    
    //多次赋值
    b = a;
    c = a;
    d = a;
    e = a;
    f = a;
    ....
}

void *child_pth_fun{

    //子线程修改a值
    a = 2;
    ......

}

如果每次赋值都去内存中读入 a , 对于程序来说开销实在太大了,这时候编译器优化会引入一个中间变量,加快程序执行效率,也正是因为优化原因,如果这个全局变量是多线程共享的,子线程可能在任意时刻改变a的值,但是主程序引入的中间变量值确实过去a的值,就可能出现数据未同步问题。

会出现什么问题、怎么解决此类问题、怎么去复现数据不同步问题、想看看博主有多傻逼 都看看   

编译器优化对多线程数据同步的影响(volatile详解实验二)

2.3中断函数与主函数共享的全局变量

中断函数和主函数共享的全局变量需要使用 volatile 修饰的情况是相似的。大家可以感受实验二,去做一个中断的实验。(对于只学过stm32,没有接触linux的同学可以在下面评论,博主按照需求去开实验三

编译器优化对中断数据同步的影响(volatile详解实验三)

2.4硬件寄存器

什么叫硬件寄存器,学过硬件的同学应该不陌生,我们在做按键检测的时候是不是下面这种流程:

1.设置GPIO对应的寄存器配置成输入模式 

2.不断地去访问GPIO电平标志寄存器(或者是一个寄存器的标志位)

3.根据寄存器值的某个二进制位确定当前引脚电平

那么有没有想过一个问题,是什么去改变硬件寄存器的值?其实,硬件寄存器上的值的是和底层电路相关的,硬件寄存器的值会影响电路,电路也会反过来影响硬件寄存器的值。

所以在这种情况下,编译器更不应该拷贝副本,而应该每次读写都从内存中读写,保证数据正确,声明成volatile可以防止出现数据出错问题。

例如:

//GPIOE13 ---->LEDD7
//GPIOA28 ----> KEY2
//注意:裸机程序是直接在硬件上运行的程序,是不能使用标准C库。

#define GPIOEALTFN0 (*(volatile unsigned int *)0xC001E020)
#define GPIOEOUTENB (*(volatile unsigned int *)0xC001E004)
#define GPIOEOUT	(*(volatile unsigned int *)0xC001E000)

#define GPIOAALTFN1 (*(volatile unsigned int *)0xC001A024)
#define GPIOAOUTENB (*(volatile unsigned int *)0xC001A004)
#define GPIOAPAD	(*(volatile unsigned int *)0xC001A018)

void _start(void) //gcc编译器中,裸机程序的入口是start,不是main
{
	GPIOEALTFN0 &= ~(3<<26);
	GPIOEOUTENB |= (1<<13);
	
	GPIOAALTFN1 &= ~(3<<24);
	GPIOAOUTENB &= ~(1<<28);
	

	while(1)
	{
		//读取GPIO引脚电平
		if(!(GPIOAPAD & (1<<28)))
			GPIOEOUT &= ~(1<<13);
		else
			GPIOEOUT |= (1<<13);
	}
}

这种情况加volatile的情况是最多的,比如stm32函数库底层的寄存器定义就是加了volatile的:

C语言volatile关键字详解

C语言volatile关键字详解

所以,也没有实验ahhh!

编译器优化对硬件寄存器数值的影响(volatile详解实验四)

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