Quelle est la fonction du mot clé volatile en langage C ?

Le rôle du mot clé volatile en langage C : rappeler au compilateur que la variable définie ultérieurement peut changer à tout moment, donc à chaque fois que le programme compilé a besoin de stocker ou de lire cette variable, en informer le compilateur Si cette variable n'est pas optimisée, les données seront lues directement à partir de l'adresse mémoire variable, offrant ainsi un accès stable à l'adresse spéciale pour éviter les erreurs.

Recommandation du didacticiel : "Vidéo du didacticiel en langage C"

Préface

1. Introduction à l'optimisation du compilateur :

Étant donné que la vitesse d'accès à la mémoire est bien inférieure à la vitesse de traitement du processeur, afin d'améliorer les performances globales de la machine, dans le matériel Introduire le cache matériel Cache pour accélérer l'accès à la mémoire. De plus, l'exécution des instructions dans les processeurs modernes ne suit pas nécessairement une séquence stricte. Les instructions sans corrélation peuvent être exécutées dans le désordre afin d'exploiter pleinement le pipeline d'instructions du processeur et d'améliorer la vitesse d'exécution. Ce qui précède sont des optimisations au niveau matériel. Regardons l'optimisation au niveau logiciel : l'une est optimisée par le programmeur lors de l'écriture du code, et l'autre est optimisée par le compilateur. Les méthodes courantes d'optimisation du compilateur incluent : la mise en cache des variables de mémoire dans des registres ; l'ajustement de l'ordre des instructions pour utiliser pleinement le pipeline d'instructions du processeur Une méthode courante consiste à réorganiser les instructions de lecture et d'écriture. Lors de l'optimisation de la mémoire conventionnelle, ces optimisations sont transparentes et très efficaces. La solution aux problèmes causés par l'optimisation du compilateur ou la réorganisation du matériel consiste à placer une barrière de mémoire entre les opérations qui doivent être exécutées dans un ordre spécifique du point de vue du matériel (ou d'un autre processeur). Linux fournit une solution aux problèmes d'ordre d'exécution du compilateur.

void Barrier(void)

Cette fonction demande au compilateur d'insérer une barrière de mémoire, mais elle n'est pas valide pour le matériel. Le code compilé stockera toutes les valeurs modifiées dans le registre CPU actuel en mémoire. , ce qui nécessite ces données. Lorsque les données sont nécessaires, relisez-les de la mémoire.

2. La volatilité est toujours liée à l'optimisation. Le compilateur dispose d'une technologie appelée analyse du flux de données, qui analyse où les variables du programme sont affectées, où elles sont utilisées et où elles sont utilisées. échouer et les résultats de l'analyse peuvent être utilisés pour une fusion constante, une propagation constante et d'autres optimisations, et peuvent éliminer davantage certains codes. Mais parfois ces optimisations ne sont pas requises par le programme. Dans ce cas, vous pouvez utiliser le mot clé volatile pour interdire ces optimisations.

2. Explication détaillée de volatile :

1. 🎜>La signification originale de volatile est "volatile", car l'accès aux registres est beaucoup plus rapide que l'accès aux unités de mémoire, donc les compilateurs effectuent généralement des optimisations pour réduire l'accès à la mémoire, mais des données sales peuvent être lues.

Lorsqu'il est nécessaire d'utiliser volatile pour déclarer une valeur de variable

, le système relit toujours les données de la mémoire où elles se trouvent

, même si le instruction précédente, lisez-la simplement à partir de là. Les données ont été lues. Pour être précis, lorsqu'il rencontrera une variable déclarée par ce mot-clé, le compilateur n'optimisera plus le code qui accède à la variable (les données seront lues directement depuis l'adresse mémoire de la variable), fournissant ainsi un accès stable à des adresses spéciales ; si volatile n'est pas utilisé, le compilateur optimisera l'instruction déclarée ; (Pour faire simple : le mot-clé volatile affecte le résultat du compilateur. Une variable déclarée avec volatile signifie que la variable peut changer à tout moment. N'effectuez pas d'optimisation de compilation sur les opérations liées à la variable pour éviter les erreurs)

2. Regardez deux exemples :

1>

Dites au compilateur que ne peut effectuer aucune optimisation Par exemple, si vous souhaitez envoyer deux instructions à une certaine adresse :

int *ip =...; //设备地址 
*ip = 1; //第一个指令 
*ip = 2; //第二个指令

Le compilateur de programme ci-dessus peut être optimisé :

int *ip = ...; 
*ip = 2;

En conséquence, la première instruction est perdue. Si vous utilisez volatile, le compilateur n'est autorisé à effectuer aucune optimisation, garantissant ainsi l'intention initiale du programme :

volatile int *ip = ...; 
*ip = 1; 
*ip = 2;

Même si vous souhaitez que le compilateur effectue une optimisation, il ne paiera pas deux fois. Les déclarations de valeur sont réduites à une. Il ne peut faire que d'autres optimisations.

2>

Les variables définies avec volatile seront modifiées en dehors du programme et doivent être lues depuis la mémoire à chaque fois, et ne peuvent pas réutiliser la sauvegarde placée dans le cache ou dans le registre.

Par exemple :

volatile char a;
a=0;
while(!a){
//do some things;
}
doother();

如果没有 volatiledoother()不会被执行

3.下面是使用volatile变量的几个场景：

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；

例如:

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函数中调用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。

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voliate，因为每次对它的读写都可能有不同意义。

例如：

假设要对一个设备进行初始化，此设备的某一个寄存器为0xff800000。

int  *output = (unsigned  int *)0xff800000;//定义一个IO端口；
int   init(void)
{
      int i;
      for(i=0;i< 10;i++){
         *output = i;
      }
}

经过编译器优化后，编译器认为前面循环半天都是废话，对最后的结果毫无影响，因为最终只是将output这个指针赋值为9，所以编译器最后给你编译编译的代码结果相当于：

int  init(void)
{
      *output = 9;
}

如果你对此外部设备进行初始化的过程是必须是像上面代码一样顺序的对其赋值，显然优化过程并不能达到目的。反之如果你不是对此端口反复写操作，而是反复读操作，其结果是一样的，编译器在优化后，也许你的代码对此地址的读操作只做了一次。然而从代码角度看是没有任何问题的。这时候就该使用volatile通知编译器这个变量是一个不稳定的，在遇到此变量时候不要优化。

例如：

volatile  int *output=(volatile unsigned int *)0xff800000;//定义一个I/O端口

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中禁止任务调度，3中则只能依靠硬件的良好设计。

4.几个问题

1)一个参数既可以是const还可以是volatile吗？

可以的，例如只读的状态寄存器。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) 一个指针可以是volatile 吗？

可以，当一个中服务子程序修该一个指向一个buffer的指针时。

5.volatile的本质：

1> 编译器的优化

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。

2>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。

6.下面的函数有什么错误：

int square(volatile int *ptr)
{
return *ptr * *ptr;
}

该程序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;
}

注意：频繁地使用volatile很可能会增加代码尺寸和降低性能,因此要合理的使用volatile。

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