volatile限定符告知計算機，其他agent（而不是變量所在的程序）可以改變該變量的值。通常它被用于硬件地址以及在其他程序或同時運行的線程中共享數(shù)據(jù)。要求編譯器不要對其描述的對象作優(yōu)化處理，對它的讀寫都需要從內(nèi)存中訪問。

使用volatile關(guān)鍵字聲明變量，可以讓編譯器不對該變量進行優(yōu)化操作。如果在一些需要使用volatile關(guān)鍵字的地方而沒有使用它時，那么編譯器可能會優(yōu)化對該變量的訪問，并生成意外的代碼或達不到預(yù)期的功能。

目錄

1 volatile意味著什么

2 什么時候該使用volatile

3 不使用volatile可能出現(xiàn)的問題

4 強制使用特定指令來訪問內(nèi)存

?5 使用volatile和不使用volatile的匯編對比

6 總結(jié)

編譯器會優(yōu)化什么

作用

特點

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1 volatile意味著什么

將變量聲明為volatile，是在告訴編譯器，該變量的值可能隨時會被其他實體（比如操作系統(tǒng)或者硬件）改變。該聲明可以保證編譯器不會優(yōu)化對該變量的使用，即使該變量未被使用或者未被更改。

2 什么時候該使用volatile

?對于可能在定義它們的作用域之外被修改的變量，使用volatile關(guān)鍵字。比如：

• 會被多個子程序讀寫的全局變量。如果程序在某些計算中使用到了全局變量，由于需要經(jīng)常對該變量進行讀寫操作，編譯器為了加速讀寫操作，會生成代碼將該變量的值加載到寄存器中，以執(zhí)行該計算。如果相同的全局變量隨后在另一個子程序中被使用，編譯器可能會直接讀取寄存器中的現(xiàn)有值，而不是去內(nèi)存當(dāng)中加載（寄存器中的是最新的值，還沒有更新到內(nèi)存中，而該子程序的本意是使用內(nèi)存中的值），這可能導(dǎo)致計算錯誤。這種直接讀取寄存器里的值的做法，是因為優(yōu)化器認(rèn)為該變量是non-volatile的，不能從外部被修改，而這種假設(shè)對于內(nèi)存映射的外設(shè)是不正確的。?
• 被用作定時（sleep或者timer）函數(shù)的延時變量。如果這種變量從未被使用過，編譯器可能會將整個延時函數(shù)代碼移除，除非將該變量聲明為volatile。
• 被中斷服務(wù)子程序調(diào)用的變量。如下示例代碼中，中斷子程序async_interrupt在類中聲明定義，但是它可能被硬件異步調(diào)用。被調(diào)用后會改變一個名為buffer_full的變量，如果不把buffer_full聲明為volatile，check_stream函數(shù)可能會讀不到buffer_full被async_interrupt更改后的值，導(dǎo)致程序錯誤。

  • class myclass
    {public:int check_stream();void async_interrupt();private:bool buffer_full;  // must be declared as volatile
    };
    int myclass::check_stream()
    {int count = 0;while (!buffer_full){count++;}return count;
    }
    void myclass::async_interrupt()
    {buffer_full = !buffer_full;
    }

此外：

• ?當(dāng)訪問一些內(nèi)存映射的外設(shè)時，必須使用volatile關(guān)鍵字聲明。就算編譯時采用 -O0（默認(rèn)不優(yōu)化），仍然不能保證每個變量都被當(dāng)作volatile。
• volatile?并不意味著內(nèi)部線程通信或者同步（inter-thread communication or synchronization），要達到這個目的，需要使用原子性操作，而不是volatile。
• 中斷或者信號處理器必須使用原子性或者volatile sig_atomic_t?類型的變量，但不是任意類型的volatile變量，以確保多線程執(zhí)行下的同步。
• 在內(nèi)聯(lián)匯編代碼前，也可以使用volatile修飾。

3 不使用volatile可能出現(xiàn)的問題

如果需要使用volatile的時候而沒有使用，編譯器就會認(rèn)為該變量不會被當(dāng)前作用域外的其他實體修改。因此，編譯器可能會進行一些用戶意想不到的優(yōu)化操作，可能會導(dǎo)致：

• 在輪詢硬件時，代碼可能會陷入循環(huán)。
• 優(yōu)化可能會導(dǎo)致刪除實現(xiàn)故意定時延遲的代碼。

4 強制使用特定指令來訪問內(nèi)存

使用volatile關(guān)鍵字聲明變量，并不能保證使用特定的機器指令來訪問它。比如Cortex?-R7 and Cortex-R8的AXI外設(shè)端口是一個64-bit的外設(shè)寄存器。這個寄存器必須使用STM（多寄存寫入）來寫入，而不是STRD或者一對STR指令。不能保證編譯器在響應(yīng)相關(guān)變量或指針類型上的volatile修飾時選擇該寄存器所需的訪問方法。因此還可以使用volatile關(guān)鍵字來修飾內(nèi)聯(lián)匯編代碼。

__asm__ volatile("stm %1,{%Q0,%R0}" : : "r"(val), "r"(ptr));
__asm__ volatile("ldm %1,{%Q0,%R0}" : "=r"(val) : "r"(ptr));

?5 使用volatile和不使用volatile的匯編對比

有如下兩段代碼：

test1：

int buffer_full;
int read_stream(void)
{int count = 0;while (!buffer_full){count++;}return count;
}

test2：?

volatile int buffer_full;
int read_stream(void)
{int count = 0;while (!buffer_full){count++;}return count;
}

?test1和test2唯一的區(qū)別就是buffer_full變量是否被聲明為volatile。buffer_full是一個結(jié)束while循環(huán)的flag，當(dāng)buffer_full==true時，停止計數(shù)，跳出循環(huán)并返回count。我們先看編譯結(jié)果，再進行分析：

使用?armclang --target=arm-arm-none-eabi -march=armv8-a -Os -S 命令對這兩段程序進行編譯：

test1：

1 read_stream:
2         movw    r0, :lower16:buffer_full
3         movt    r0, :upper16:buffer_full
4         ldr     r1, [r0]
5         mvn     r0, #0
6 .LBB0_1:
7         add     r0, r0, #1
8         cmp     r1, #0
9         beq     .LBB0_1     ; infinite loop
10         bx      lr

test2:

1 read_stream:
2         movw    r1, :lower16:buffer_full
3         mvn     r0, #0
4         movt    r1, :upper16:buffer_full
5 .LBB1_1:
6         ldr     r2, [r1]     ; buffer_full
7         add     r0, r0, #1
8         cmp     r2, #0
9         beq     .LBB1_1
10         bx      lr

?先看test1的匯編程序，第6行到第9行為while循環(huán)語句，寄存器r1里的值為buffer_full，進入.LBB0_1的循環(huán)后，通過第8行的cmp指令不斷比較r1是否為0，以此判斷是否要跳出循環(huán)。由于test1沒有使用volatile關(guān)鍵字聲明變量buffer_full，所以在.LBB0_1的循環(huán)內(nèi)一直讀取的是寄存器r1的值，如果在輪詢的過程中，有其他子程序改變了buffer_full的值，test1也不會跳出循環(huán)，因為它并不知道buffer_full已經(jīng)被更新了。

而在test2程序中，寄存器r1中存儲的是buffer_full的地址，r2中存儲的是它的值。由于使用了volatile聲明，編譯器認(rèn)為該變量是易變的，有被其他子程序更改的風(fēng)險，所有在第5行到第9行的循環(huán)中，每次讀取buffer_full的值都是使用?ldr r2, [r1]?，直接加載內(nèi)存當(dāng)中的值，而不是如test1中的，讀取寄存器的值。所以當(dāng)外部程序更改了buffer_full的值，test2就能立馬讀取到真實的buffer_full，從而跳出循環(huán)。

6 總結(jié)

智能的（進行優(yōu)化的）編譯器可能會把變量的值臨時儲存在寄存器上，便于下次讀取，以節(jié)約時間，這個過程被稱為高速緩存。但是有一些agent在內(nèi)存上改變了變量的值，寄存器上的還是舊數(shù)據(jù)，這樣就出錯了。如果被volatile 關(guān)鍵字修飾，編譯器不會進行高速緩存，直接去內(nèi)存中讀取該變量的數(shù)據(jù)。

編譯器會優(yōu)化什么

• 將內(nèi)存變量緩存到寄存器中。
• 調(diào)整指令順序，充分利用CPU指令流水線，進行指令重新排序讀寫指令。

作用

告訴編譯器該變量值是不穩(wěn)定的，可能被更改，需要去內(nèi)存中讀取該值而不是讀取寄存器中的備份

• 多個線程都要用到的某個變量，而且變量的值會被改變
• 中斷服務(wù)子程序中訪問到的非自動變量
• 并行設(shè)備硬件寄存器的變量（如狀態(tài)寄存器）

特點

• 易變的
• 不可優(yōu)化，告訴編譯器不要對volatile聲明的變量進行各種優(yōu)化保證程序員寫在代碼中的指令一定會被執(zhí)行
• volatile int a;a = 1; 如果未聲明為volatile兩條代碼會合并成一條。
• 順序執(zhí)行的（原子性）：保證volatile變量間的順序性，不會被編譯器進行亂序優(yōu)化
• 能否和const一起用：可以，const是只讀，volatile是去內(nèi)存中讀取
• 指針可以是volatile
• 可以修飾函數(shù)參數(shù)
  ?

參考文章：

Effect of the volatile keyword on compiler optimizationhttps://developer.arm.com/documentation/100748/0620/Writing-Optimized-Code/Effect-of-the-volatile-keyword-on-compiler-optimization?lang=en#a48-effect-of-the-volatile-keyword-on-compiler-optimization__c-code-for-nonvolatile-and-volatile-buffer-loops