原创 何为C语言关键字volatile

作者：王姗姗,华清远见嵌入式学院讲师。

在学习Ｃ关键词的时候，我们看到了一个新面孔——volatile。在程序员面试宝典中提到“关键字volatile的面试例题是考查嵌入式编程”，中间有一段解析：

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。搞嵌入式的家伙们经常同硬件、中断、RTOS等等打交道，所有这些都要求用到volatile变量。不懂得volatile的内容将会带来灾难。 假设被面试者正确地回答了这是问题（嗯，怀疑是否会是这样），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。

下面我们来看下宝典中提到的问题：

关键字volatile有什么含意?并给出三个不同的例子。

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，但有可能会读脏数据。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。

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从内存里读取这个变量的值，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

在这里要说下，其实不仅仅是并行设备的硬件寄存器，串行设备的硬件寄存器也行，也就是说只要是硬件寄存器都需要这么做，当我们不能确保寄存器里的值一定不会变的情况下就需要使用volatile。看下面的例子，2410addr.h是所有寄存器中的头文件，其中就有很多volatile的应用，下面列出一个宏定义出来：

#define rURXH0 (*(volatile unsigned char *)0x50000024) //UART 0 Receive buffer

这个就是串行的接收ｂｕｆｆｅｒ，其地址为0x50000024，如果我们没有将这个地址强行转换成volatile，那么我们在使用rURXH0时，可能直接从cpu的寄存器中取值。因为之前rURXH0被访问过，也就是说之前就从内存中取出rURXH0的值保存到 某个寄存器中。之所以直接从寄存器中取值，而不去内存中取值，是因为编译器优化代码的结果（访问cpu寄存器比访问ram快的多）。用volatile关键字对0x50000024进行强制转换，使得每一次被访问rURXH0时，执行部件都会从0x50000024这个内存单元中取出值来赋值给rURXH0。

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。volatile提醒编译器它后面所定义的变量随时都有可能改变，因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候，都会直接从变量地址中读取数据。如 果没有volatile关键字，则编译器可能优化读取和存储，可能暂时使用寄存器中的值，如果这个变量由别的程序更新了的话，将出现不一致的现象。所以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。

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。

下面举例说明。在DSP开发中，经常需要等待某个事件的触发，所以经常会写出这样的程序：

short flag;
        void test()
        {
        do1();
        while(flag==0);
        do2();
        }

这段程序等待内存变量flag的值变为1(怀疑此处是0,有点疑问,)之后才运行do2()。

变量flag的值由别的程序更改，这个程序可能是某个硬件中断服务程序。例如：如果某个按钮按下的话，就会对DSP产生中断，在按键中断程序中修改flag为1，这样上面的程序就能够得以继续运行。

但是，编译器并不知道flag的值会被别的程序修改，因此在它进行优化的时候，可能会把flag的值先读入某个寄存器，然后等待那个寄存器变为1。如果不幸进行了这样的优化，那么while循环就变成了死循环，因为寄存器的内容不可能被中断服务程序修改。

为了让程序每次都读取真正flag变量的值，就需要定义为如下形式：
volatile short flag;

需要注意的是，没有volatile也可能能正常运行，但是可能修改了编译器的优化级别之后就又不能正常运行了。因此经常会出现debug版本正常，但是release版本却不能正常的问题。所以为了安全起见，只要是等待别的程序修改某个变量的话，就加上volatile关键字。在曹老师的《volatile在多线程中的应用》一文中也举例说明了volatile在多线程中的应用。