volatile 详解

我在开发中也常常遇到这个问题，发现通常用在两个方面，一方面是对硬件寄存器或固定内存的访问，一般要用到，这就是我们常常在寄存器的头文件常常看到的，另一个就是在多线程，或主程序和中断共享，全局变量常常用到。言归正传，看看老外是怎么说的

认识关键字Volatile
很多程序员对于volatile的用法都不是很熟悉。这并不奇怪，很多介绍C语言的书籍对于他的用法都闪烁其辞。
在你们使用C/C++语言开发嵌入式系统的时候，遇到过以下的情况么？
• 一打开编译器的编译优化选项，代码就不再正常工作了；
• 中断似乎总是程序异常的元凶；
• 硬件驱动工作不稳定；
• 多任务系统中，单个任务工作正常，加入任何其他任务以后，系统就崩溃了。
如果你曾经向别人请教过和以上类似的问题，至少说明，你还没有接触过C语言关键字volatile的用法。这种情况，你不是第一个遇到。很多程序员对于volatile都几乎一无所知。大部分介绍C语言的文献对于它都闪烁其辞。
Volatile是一个变量声明限定词。它告诉编译器，它所修饰的变量的值可能会在任何时刻被意外的更新，即便与该变量相关的上下文没有任何对其进行修改的语句。造成这种“意外更新”的原因相当复杂。在我们分析这些原因之前，我们先回顾一下与其相关的语法。

语法
要想给一个变量加上volatile限定，只需要在变量类型声明附之前/后加入一个volatile关键字就可以了。下面的两个实例是等效的，它们都是将foo声明为一个“需要被实时更新”的int型变量。
volatile int foo;
int volatile foo;

同样，声明一个指向volatile型变量的指针也是非常类似的。下面的两个声明都是将foo定义为一个指向volatile integer型变量的指针。
volatile int * foo;
int volatile * foo;

一个Volatile型的指针指向一个非volatile型变量的情况非常少见（我想，我可能使用过一次），尽管如此，我还是要给出他的语法：
int * volatile foo;

最后一种形式，针对你真的需要一个volatile型的指针指向一个volatile型的情形：
int volatile * volatile foo;
最后，如果你将volatile应用在结构体或者是公用体上，那么该结构体/公用体内的所有内容就都带有volatile属性了。如果你并不想这样（牵一发而动全身），你可以仅仅在结构体/公用体中的某一个成员上单独使用该限定。

使用
当一个变量的内容可能会被意想不到的更新时，一定要使用volatile来声明该变量。通常，只有三种类型的变量会发生这种“意外”：
• 在内存中进行地址映射的设备寄存器；
• 在中断处理程序中可能被修改的全局变量；
• 多线程应用程序中的全局变量；

设备寄存器
嵌入式系统的硬件实体中，通常包含一些复杂的外围设备。这些设备中包含的寄存器，其值往往随着程序的流程同步的进行改变。在一个非常简单的例子中，假设我们有一个8位的状态寄存器映射在地址0x1234上。系统需要我们一直监测状态寄存器的值，直到它的值不为0为止。通常错误的实现方法是：
UINT1 * ptr = (UINT1 *) 0x1234;
// Wait for register to become non-zero.等待寄存器为非0值
while (*ptr == 0);
// Do something else.作其他事情

一旦你打开了优化选项，这种写法肯定会失败，编译器就会生成类似如下的汇编代码：
mov ptr, #0x1234 mov a, @ptr loop bz loop

优化的工作原理非常简单：一旦我们我们将一个变量读入寄存器中（参照代码的第二行），如果（从变量相关的上下文看）变量的值总是不变的，那么就没有必要（从内存中）从新读取他。在代码的第三行中，我们使用一个无限循环来结束。为了强迫编译器按照我们的意愿进行编译，我们修改指针的声明为：
UINT1 volatile * ptr =
(UINT1 volatile *) 0x1234;

对应的汇编代码为：
mov ptr, #0x1234
loop mov a, @ptr
bz loop
我们需要的功能实现了！
对于一些较为特殊的寄存器，（我们上面提到的方法）会导致一些难以想象的错误。事实上，很多设备寄存器在读取一次以后就会被清除。这种情况下，多余的读取操作会导致意想不到的错误。

中断处理程序
中断处理程序经常负责更新一些在主程序中被查询的变量的值。例如，一个串行通讯中断会检测接收到的每一个字节是否为ETX信号（以便来确认一个消息帧的结束标志）。如果其中的一个字节为ETX，中断处理程序就是修改一个全局标志。一个错误的实现方法可能为：

int etx_rcvd = FALSE;
void main()
{
...
while (!ext_rcvd)
{
// Wait
}
...
}
interrupt void rx_isr(void)
{
...
if (ETX == rx_char)
{
etx_rcvd = TRUE;
}
...
}

在编译优化选项关闭的时候，代码可能会工作的很好。但是，即便是任何半吊子的优化，也会“破坏”这个代码的意图。问题就在于，编译器并不知道 etx_rcvd会在中断处理程序中被更新。在编译器可以检测的上下文内，表达式!ext_rcvd总是为真，所以，你就永远无法从循环中跳出。因此，该循环后面的代码会被当作“不可达到 ”的内容而被编译器的优化选项简单的删除掉。如果你比较幸运，你的编译器也许会给你一个相关的警告；如果你没有那么幸运（或者你没有注意到这些警告），你的代码就会导致严重的错误。通常，就会有人抱怨“该死的优化选项”。
解决这个问题的方法很简单：将变量etx_rcvd声明为volatile。然后，所有的（至少是一部分症状）那些错误症状就会消失。

多线程应用程序
在实时操作系统中，除去队列、管道以及其他调度相关的通讯结构，在两个任务之间采用共享的内存空间（就是全局共享）实现数据的交换仍然是相当常见的方法。当你将一个优先权调度器应用于你的代码时，编译器仍然不知道某一程序段分支选择的实际工作方式以及什么时候某一分支情况会发生。这是因为，另外一个任务修改一个共享的全局变量在概念上通常和前面中断处理程序中提到的情形是一样的。所以，（这种情况下）所有共享的全局变量都要被声明为 volatile。例如：
int cntr;
void task1(void)
{
cntr = 0;
while (cntr == 0)
{
sleep(1);
}
...
}
void task2(void)
{
...
cntr++;
sleep(10);
...
}

一旦编译器的优化选项被打开，这段代码的执行通常会失败。将cntr声明为volatile是解决问题的好办法。

反思
一些编译器允许我们隐含的声明所有的变量为volatile。最好抵制这种便利的诱惑，因为它很容易让我们“不动脑子”，而且，这也常常会产生一个效率相对较低的代码。
所以，我们又诅咒编译优化或者简单的关掉这一选项来抵制这些诱惑。现在的编译优化已经相当聪明，我不记得在编译优化中找到过什么错误。与之相比，为了解决一些错误，我却常常使用疯狂数量的volatile。
如果你恰巧有一段代码需要去修正，先搜索一下有没有volatile关键字。如果找不到volatile，那么这个代码很可能会是一个很好的实例来检测前面提到过的各种错误。

volatile的本意是一般有两种说法--1.“暂态的”；2.“易变的”。这两种说法都有可行。但是究竟volatile是什么意思，现举例说明（以Keil-c与a51为例）,看完例子后你应该明白volatile的意思了
例1：

void main (void)

{

volatile int i;

int j;

i = 1;  //1  不被优化 i=1

i = 2;  //2  不被优化 i=1

i = 3;  //3  不被优化 i=1

j = 1;  //4  被优化

j = 2;  //5  被优化

j = 3;  //6  j = 3

}

例2：
函数：

void func (void)

{

unsigned char xdata xdata_junk;

unsigned char xdata *p = &xdata_junk;

unsigned char t1, t2;

t1 = *p;

t2 = *p;

}

编译的汇编为：

0000 7E00    R     MOV     R6,#HIGH xdata_junk

0002 7F00    R     MOV     R7,#LOW xdata_junk

;---- Variable 'p' assigned to Register 'R6/R7' ----

0004 8F82          MOV     DPL,R7

0006 8E83          MOV     DPH,R6

;!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 注意

0008 E0            MOVX    A,@DPTR

0009 F500    R     MOV     t1,A
000B F500    R     MOV     t2,A

;!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

000D 22            RET 

将函数变为：

void func (void)

{

volatile unsigned char xdata xdata_junk;

volatile unsigned char xdata *p = &xdata_junk;

unsigned char t1, t2;

t1 = *p;

t2 = *p;

}

编译的汇编为：

0000 7E00    R     MOV     R6,#HIGH xdata_junk

0002 7F00    R     MOV     R7,#LOW xdata_junk

;---- Variable 'p' assigned to Register 'R6/R7' ----

0004 8F82          MOV     DPL,R7

0006 8E83          MOV     DPH,R6

;!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

0008 E0            MOVX    A,@DPTR

0009 F500    R     MOV     t1,A        a处

000B E0            MOVX    A,@DPTR

000C F500    R     MOV     t2,A

;!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

000E 22            RET    

比较结果可以看出来，未用volatile关键字时，只从*p所指的地址读一次

如在a处*p的内容有变化，则t2得到的则不是真正*p的内容。