讲讲volatile的作用

Cited from http://blog.21ic.com/user1/2949/archives/2007/35599.html
一个定义为volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变，这样，编译器就不会去假设这个变量的值了。精确地说就是，优化器在用到这个变量时必须每次都小心地重新读取这个变量的值，而不是使用保存在寄存器里的备份。下面是volatile变量的几个例子： 
    1). 并行设备的硬件寄存器（如：状态寄存器） 
    2). 一个中断服务子程序中会访问到的非自动变量(Non-automatic variables) 
    3). 多线程应用中被几个任务共享的变量 
    回答不出这个问题的人是不会被雇佣的。我认为这是区分C程序员和嵌入式系统程序员的最基本的问题。嵌入式系统程序员经常同硬件、中断、RTOS等等打交道，所用这些都要求volatile变量。不懂得volatile内容将会带来灾难。 
    假设被面试者正确地回答了这是问题（嗯，怀疑这否会是这样），我将稍微深究一下，看一下这家伙是不是直正懂得volatile完全的重要性。 
    1). 一个参数既可以是const还可以是volatile吗？解释为什么。 
    2). 一个指针可以是volatile 吗？解释为什么。 
    3). 下面的函数有什么错误： 
         int square(volatile int *ptr) 
         { 
              return *ptr * *ptr; 
         } 
    下面是答案： 
    1). 是的。一个例子是只读的状态寄存器。它是volatile因为它可能被意想不到地改变。它是const因为程序不应该试图去修改它。 
    2). 是的。尽管这并不很常见。一个例子是当一个中服务子程序修该一个指向一个buffer的指针时。 
    3). 这段代码的有个恶作剧。这段代码的目的是用来返指针*ptr指向值的平方，但是，由于*ptr指向一个volatile型参数，编译器将产生类似下面的代码： 
    int square(volatile int *ptr)  
    { 
         int a,b; 
         a = *ptr; 
         b = *ptr; 
         return a * b; 
     } 
    由于*ptr的值可能被意想不到地该变，因此a和b可能是不同的。结果，这段代码可能返不是你所期望的平方值！正确的代码如下： 
     long square(volatile int *ptr)  
     { 
            int a; 
            a = *ptr; 
            return a * a; 
     } 

讲讲我的理解： （欢迎打板子...~~！） 

关键在于两个地方：      
  
1. 编译器的优化  (请高手帮我看看下面的理解) 

在本次线程内, 当读取一个变量时，为提高存取速度，编译器优化时有时会先把变量读取到一个寄存器中；以后，再取变量值时，就直接从寄存器中取值； 

当变量值在本线程里改变时，会同时把变量的新值copy到该寄存器中，以便保持一致 

当变量在因别的线程等而改变了值，该寄存器的值不会相应改变，从而造成应用程序读取的值和实际的变量值不一致 

当该寄存器在因别的线程等而改变了值，原变量的值不会改变，从而造成应用程序读取的值和实际的变量值不一致  


举一个不太准确的例子：  

发薪资时，会计每次都把员工叫来登记他们的银行卡号；一次会计为了省事，没有即时登记，用了以前登记的银行卡号；刚好一个员工的银行卡丢了，已挂失该银行卡号；从而造成该员工领不到工资  

员工 －－ 原始变量地址  
银行卡号 －－ 原始变量在寄存器的备份  


2. 在什么情况下会出现(如1楼所说) 

    1). 并行设备的硬件寄存器（如：状态寄存器）  
    2). 一个中断服务子程序中会访问到的非自动变量(Non-automatic variables)  
    3). 多线程应用中被几个任务共享的变量  
     

补充： volatile应该解释为“直接存取原始内存地址”比较合适，“易变的”这种解释简直有点误导人；  

“易变”是因为外在因素引起的，象多线程，中断等，并不是因为用volatile修饰了的变量就是“易变”了，假如没有外因，即使用volatile定义，它也不会变化； 

而用volatile定义之后，其实这个变量就不会因外因而变化了，可以放心使用了； 大家看看前面那种解释（易变的）是不是在误导人 


－－－－－－－－－－－－简明示例如下：－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 

volatile关键字是一种类型修饰符，用它声明的类型变量表示可以被某些编译器未知的因素更改，比如：操作系统、硬件或者其它线程等。遇到这个关键字声明的变量，编译器对访问该变量的代码就不再进行优化，从而可以提供对特殊地址的稳定访问。 
使用该关键字的例子如下： 
int volatile nVint; 
>>>>当要求使用volatile 声明的变量的值的时候，系统总是重新从它所在的内存读取数据，即使它前面的指令刚刚从该处读取过数据。而且读取的数据立刻被保存。 
例如： 
volatile int i=10; 
int a = i; 
... 
//其他代码，并未明确告诉编译器，对i进行过操作 
int b = i; 
>>>>volatile 指 出 i是随时可能发生变化的，每次使用它的时候必须从i的地址中读取，因而编译器生成的汇编代码会重新从i的地址读取数据放在b中。而优化做法是，由于编 译器发现两次从i读数据的代码之间的代码没有对i进行过操作，它会自动把上次读的数据放在b中。而不是重新从i里面读。这样以来，如果i是一个寄存器变量 或者表示一个端口数据就容易出错，所以说volatile可以保证对特殊地址的稳定访问。 
>>>>注意，在vc6中，一般调试模式没有进行代码优化，所以这个关键字的作用看不出来。下面通过插入汇编代码，测试有无volatile关键字，对程序最终代码的影响： 
>>>>首先，用classwizard建一个win32 console工程，插入一个voltest.cpp文件，输入下面的代码： 
>> 
＃i nclude <stdio.h> 
void main() 
{ 
int i=10; 
int a = i; 
printf("i= %d",a); 
//下面汇编语句的作用就是改变内存中i的值，但是又不让编译器知道 
__asm { 
mov dword ptr [ebp-4], 20h 
} 
int b = i; 
printf("i= %d",b); 
}       
然后，在调试版本模式运行程序，输出结果如下： 
i = 10 
i = 32 
然后，在release版本模式运行程序，输出结果如下： 
i = 10 
i = 10 
输出的结果明显表明，release模式下，编译器对代码进行了优化，第二次没有输出正确的i值。下面，我们把 i的声明加上volatile关键字，看看有什么变化： 
＃i nclude <stdio.h> 
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); 
}       
分别在调试版本和release版本运行程序，输出都是： 
i = 10 
i = 32 
这说明这个关键字发挥了它的作用！ 

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 


volatile对应的变量可能在你的程序本身不知道的情况下发生改变 
比如多线程的程序，共同访问的内存当中，多个程序都可以操纵这个变量 
你自己的程序，是无法判定合适这个变量会发生变化 
还比如，他和一个外部设备的某个状态对应，当外部设备发生操作的时候，通过驱动程序和中断事件，系统改变了这个变量的数值，而你的程序并不知道。 
对于volatile类型的变量，系统每次用到他的时候都是直接从对应的内存当中提取，而不会利用cache当中的原有数值，以适应它的未知何时会发生的变化，系统对这种变量的处理不会做优化——显然也是因为它的数值随时都可能变化的情况。 

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典型的例子 
for ( int i=0; i<100000; i++); 
这个语句用来测试空循环的速度的 
但是编译器肯定要把它优化掉，根本就不执行 
如果你写成  
for ( volatile int i=0; i<100000; i++); 
它就会执行了 

volatile的本意是“易变的”  
由于访问寄存器的速度要快过RAM，所以编译器一般都会作减少存取外部RAM的优化。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中断产生时，在main当中调用dosomething函数，但是，由于编译器判断在main函数里面没有修改过i，因此 
可能只执行一次对从i到某寄存器的读操作，然后每次if判断都只使用这个寄存器里面的“i副本”，导致dosomething永远也不会被 
调用。如果将将变量加上volatile修饰，则编译器保证对此变量的读写操作都不会被优化（肯定执行）。此例中i也应该如此说明。 

一般说来，volatile用在如下的几个地方： 

1、中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量需要加volatile； 

2、多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile； 

3、存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile说明，因为每次对它的读写都可能由不同意义； 

另外，以上这几种情况经常还要同时考虑数据的完整性（相互关联的几个标志读了一半被打断了重写），在1中可以通过关中断来实 
现，2中可以禁止任务调度，3中则只能依靠硬件的良好设计了。

Reference:
volatile——编写多线程程序的好帮手
http://www.91tech.net/Article/SoftTech/vctech/200604/3684.html

编译器优化 → C关键字volatile → memory破坏描述符zz

“memory”比较特殊，可能是内嵌汇编中最难懂部分。为解释清楚它，先介绍一下编译器的优化知识，再看C关键字volatile。最后去看该描述符。 

1、编译器优化介绍 
   内存访问速度远不及CPU处理速度，为提高机器整体性能，在硬件上引入硬件高速缓存Cache，加速对内存的访问。另外在现代CPU中指令的执行并不一定 严格按照顺序执行，没有相关性的指令可以乱序执行，以充分利用CPU的指令流水线，提高执行速度。以上是硬件级别的优化。再看软件一级的优化：一种是在编 写代码时由程序员优化，另一种是由编译器进行优化。编译器优化常用的方法有：将内存变量缓存到寄存器；调整指令顺序充分利用CPU指令流水线，常见的是重 新排序读写指令。对常规内存进行优化的时候，这些优化是透明的，而且效率很好。由编译器优化或者硬件重新排序引起的问题的解决办法是在从硬件（或者其他处 理器）的角度看必须以特定顺序执行的操作之间设置内存屏障（memory barrier），linux 提供了一个宏解决编译器的执行顺序问题。 
                            void Barrier(void) 
这个函数通知编译器插入一个内存屏障，但对硬件无效，编译后的代码会把当前CPU寄存器中的所有修改过的数值存入内存，需要这些数据的时候再重新从内存中读出。 

2、C语言关键字volatile 
    C 语言关键字volatile（注意它是用来修饰变量而不是上面介绍的__volatile__）表明某个变量的值可能在外部被改变，因此对这些变量的存取 不能缓存到寄存器，每次使用时需要重新存取。该关键字在多线程环境下经常使用，因为在编写多线程的程序时，同一个变量可能被多个线程修改，而程序通过该变 量同步各个线程，例如： 
    DWORD __stdcall threadFunc(LPVOID signal) 
    { 
       int* intSignal=reinterpret_cast<int*>(signal); 
       *intSignal=2; 
       while(*intSignal!=1) 
                 sleep(1000); 
       return 0; 
    } 
该线程启动时将intSignal 置为2，然后循环等待直到intSignal 为1 时退出。显然intSignal的值必须在外部被改变，否则该线程不会退出。但是实际运行的时候该线程却不会退出，即使在外部将它的值改为1，看一下对应的伪汇编代码就明白了： 
   mov ax,signal 
    label: 
    if(ax!=1) 
              goto label 

   对于C编译器来说，它并不知道这个值会被其他线程修改。自然就把它cache在寄存器里面。记住，C 编译器是没有线程概念的！这时候就需要用到volatile。volatile 的本意是指：这个值可能会在当前线程外部被改变。也就是说，我们要在threadFunc中的intSignal前面加上volatile关键字，这时 候，编译器知道该变量的值会在外部改变，因此每次访问该变量时会重新读取，所作的循环变为如下面伪码所示： 
   label: 
    mov ax,signal 
    if(ax!=1) 
             goto label 

3、Memory 
     有了上面的知识就不难理解Memory修改描述符了，Memory描述符告知GCC： 
     1）不要将该段内嵌汇编指令与前面的指令重新排序；也就是在执行内嵌汇编代码之前，它前面的指令都执行完毕 
     2）不要将变量缓存到寄存器，因为这段代码可能会用到内存变量，而这些内存变量会以不可预知的方式发生改变，因此GCC插入必要的代码先将缓存到寄存器的变量值写回内存，如果后面又访问这些变量，需要重新访问内存。 

   如果汇编指令修改了内存，但是GCC 本身却察觉不到，因为在输出部分没有描述，此时就需要在修改描述部分增加“memory”，告诉GCC 内存已经被修改，GCC 得知这个信息后，就会在这段指令之前，插入必要的指令将前面因为优化Cache 到寄存器中的变量值先写回内存，如果以后又要使用这些变量再重新读取。 

   使用“volatile”也可以达到这个目的，但是我们在每个变量前增加该关键字，不如使用“memory”方便。