如何使用 C 语言中的 volatile 关键字?

(这是一篇译文, 原文个人觉得写得相当好, 于是向原作者 Nigel Jones 征求了许可翻译为中文, 原文链接: http://www.barrgroup.com/Embedded-Systems/How-To/C-Volatile-Keyword)

很多 C 程序员都不真正懂得 volatile 关键字的用法. 这无需奇怪, 因为大多数的 C 教程对 volatile 的介绍都比较简单. 这篇文章的目的就是告诉你 volatile 的正确使用方式

你有碰到过下面的几个情形吗?

代码编译运行没问题 --- 直到你打开了编译器优化
代码运行的很好 --- 直到一个中断发生
古怪的硬件驱动程序
RTOS task 各自单独运行时很好 --- 直到有其它 task 被 spawned

如果你碰到过上述任何一个问题, 那么就可能是你没有使用 volatile 关键字的原因. 你并不孤单, volatile 关键字为很多程序员所不熟悉. 不幸的是, 很多 C 相关的书籍都没有好好的介绍 volatile 关键字.

volatile 关键字和 const 一样, 是一个限定符, 用于一个变量被声明时. 它告诉编译器, 被声明的变量的值可能随时都会被改变 -- 就算使用这个变量的代码的附近 (附近有多近, 要看编译器了, 可能是同一个源文件) 没有任何修改这个变量值的语句也是如此. 给编译器的这个暗示是很严肃的, 在我们继续讲解之前, 我们先来看一下 volatile 的语法.

volatile 关键字的语法

要将一个变量声明为 volatile 的, 需要在声明时将 volatile 关键字写到数据类型关键字的前面或后面. 比如, 下面两条语句都将 foo 声明为一个 volatile 的整数:

volatile int foo;
int volatile foo;

然后下面的例子是声明指向 volatile 变量的指针, 我们经常需要这么做, 尤其是涉及到 memory-mapped I/O 寄存器的时候. 下面两条语句都将 pReg 声明为一个指向 volatile 的, 无符号的 8 位整数的指针:

volatile uint8_t *pReg;
uint8_t volatile *pReg;

指向 non-volatile 变量的 volatile 指针一般不多见 (我可能曾经用过一次), 不过, 我还是给你展示一下语法:

int *volatile p;

为了公平起见, 我再展示一个:

int volatile * volatile p;

如果你想知道为何 volatile 关键字应该放在类型后面的话, 可以参阅 Dan Sak 的专栏: "Top-Level cv-Qualifiers in Function Parameters" (Embedded Systems Programming, February 2000, p. 63).

最后, 如果你将 volatile 关键字应用于一个 struct/union, 那么整个 struct/union 中的所有内容都会是 volatile 的. 如果你不想这样, 那么将 volatile 应用于 struct/union 中的单独的成员就可以了.

volatile 关键字的正确用法

任何时候, 只要这个变量的值可能在不确定的时刻被修改, 那么它都应该被声明为 volatile. 什么是 "不确定的时刻" 呢, 其实总共不过是只有三种情况:

Memory-mapped peripheral registers
被 ISR 修改的全局变量
多线程编程中, 被多个 task 共同访问或修改的全局变量

Peripheral Registers

嵌入式系统包含真正的硬件, 一般都有着精细复杂的外围. 这些外围包含一些寄存器, 这些寄存器的值可能会改变, 而且是与程序的执行流毫不相干的. 考虑一个非常简单地例子, 一个 8 bit 的状态寄存器, 被应射到内存地址 0x1234. 现在需要你轮询这个状态寄存器, 直到它的值不是 0. 你可能想当然的这样实现:

uint8_t *pReg = (uint8_t *)0x1234;
// Wait for register to become non-zero
while (*pReg == 0) {} // Do something else

只要你打开编译器的优化选项, 上面的代码基本上在哪个架构哪个编译器上都会得到错误的结果, 因为编译器只会生成类似如下的汇编代码:

    mov ptr, #0x1234
    mov a, @ptr

loop:
    bz loop

编译器这么做的道理很简单: 既然代码里没有任何地方会修改地址 0x1234 处的值, 那么对 0x1234 地址的访问一次就够了, 没必要老是访问. 殊不知, 这只是代码里没有改变 0x1234, 但是能够改变 0x1234 处的值的不光是我们的代码, 还有外围啊. 要解决这个问题我们需要给 pReg 加上 volatile 限定符:

uint8_t volatile *pReg = (uint8_t volatile *) 0x1234;

这样一来生成的汇编代码将会是下面这样的:

    mov ptr, #0x1234

loop:
    mov a, @ptr
    bz loop

这样便达到我们的要求了.

Subtler problems tend to arise with registers that have special properties. For instance, a lot of peripherals contain registers that are cleared simply by reading them. Extra (or fewer) reads than you are intending can cause quite unexpected results in these cases.

Interrupt Service Routines

ISRs 常常会设置或修改那些在主代码里的标识变量. 比如, 串行口中断可能会检查每一个接受到的字符, 来看一下它是不是 ETX 字符 (代表消息结束). 如果这个字符是 ETX, 这个 ISR 就会设置一个全局的标识变量. 一个错误的实现是下面这样的:

int etx_rcvd = FALSE;

void main()
{
    ...
    while (!ext_rcvd)
    {
        // Wait
    }
    ...
}

interrupt void rx_isr(void)
{
    ...
    if (ETX == rx_char)
    {
        etx_rcvd = TRUE;
    }
    ...
}

如果编译器优化选项没打开, 这段代码或许能够正常运行. 但现在像样的编译器都会 "破坏" 上面代码的逻辑, 问题在于 "编译器不知道 etx_rcvd 会在一个 ISR 中被改变. 在编译器看来, !ext_rcvd 总是正确的, 所以你将永远无法退出循环. 更甚至, 所有 while() {} 循环体后面的代码会因优化而全部被移除 -- 因为它们永远得不到执行. 幸运的话, 你的编译器会警告你的; 不幸运的话, 或者你从不在意编译器的警告的话, 你的代码将会失败的让你很难找到原因.

解决方法也是将 etx_rcvd 声明为 volatile.

多线程 (tasks) 应用程序

在实时操作系统的通信机制中, 撇开队列, 管道这些高大上, 共享内存 (这里说的就是全局变量) 仍然不失为一个多 tasks 间通信的好办法. 就算你使用了一个抢占式的调度器, 编译器也依然无法知道什么是 context switch, 更不知道 context switch 何时会发生. 因此, 另一个 task 修改一个全局变量, 概念上就和 ISR 修改这个全局变量是一样的. 因此所有的共享的全局变量都应该被声明为 volatile.

int cntr;

void task1(void)
{
    cntr = 0;

    while (cntr == 0)
    {
        sleep(1);
    }
    ...
}

void task2(void)
{
    ...
    cntr++;
    sleep(10);
    ...
}

同样你需要将 cntr 声明为 volatile, 否则, 编译器优化选项一开, 代码运行就很可能不是你想要的结果.

最终幻想

有一些编译器允许你隐式的将所有的变量声明为 volatile 的. 请抵制这种诱惑! 这会让你不再去思考. 同样也会导致产生低效率的程序.

同样, 抵制住想要责备编译器优化或者要关闭它的想法. 当今的编译器都非常优秀, 我已经不记得上次发现编译器优化的 bug 是哪年哪月了.

如果你有一段运行结果令你匪夷所思的代码, 你要修复它, 那么你可以先 grep 一下 volatile, 如果结果是空, 那么就可以按照上面的思路考虑一下是不是没加 volatile 导致的.

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