首先聲明本文譯自國外網(wǎng)站的一篇文章，原文鏈接如下：

https://barrgroup.com/embedded-systems/how-to/c-volatile-keyword

建議有條件的直接閱讀英文原版?？赡茏x了這篇文章后，你會有所懷疑，因為你平時可能遇到過下面出現(xiàn)的情況，但是你并沒有添加volatile關(guān)鍵字，程序任然正常的運行，個人覺得可能有以下的原因：

1.其實BUG出現(xiàn)了，但是難以復(fù)現(xiàn)，所以被你忽略了

2.現(xiàn)在的優(yōu)化器足夠智能，即使打開了優(yōu)化，也能避免這些BUG的出現(xiàn)

正文開始

許多程序員對C的volatile關(guān)鍵字了解得很少。這并不奇怪，因為大多數(shù)C文章對它都是一兩句話避而不談。這篇文章將教你正確的使用它。

在你的C/C++嵌入式代碼中你是否經(jīng)歷過以下情況？

代碼正常運行--直到你使能了編譯器優(yōu)化

代碼正常運行--直到你使能了中斷

奇怪的硬件驅(qū)動程序

RTOS任務(wù)工作正常--直到你添加了其它任務(wù)

如果你對上面任意一個的回答為"是"，那么意味著你沒有使用volatile關(guān)鍵字。許多程序員和你一樣對volatile關(guān)鍵字了解得很少。遺憾的是，大多數(shù)關(guān)于C編程語言的書只用一兩句話就避開它。

【正確的使用volatile是消除BUG的一部分  Embedded C Coding Standard】

C關(guān)鍵字volatile是一個限定符，在變量聲明的時候應(yīng)用它。它告訴編譯器這個變量的值可能隨時被改變--編譯器不要去優(yōu)化它。影響是非常嚴重的。但是，在剖析它之前，我們先看一下它的語法。

C關(guān)鍵字volatile的語法

聲明一個變量為volatile，就在這個變量聲明的數(shù)據(jù)類型前面或者后面加一個volatile關(guān)鍵字。下面兩個實例都聲明一個無符號16位整型變量為volatile整型：

volatile uint16_t x; 
uint16_t volatile y;


現(xiàn)在，實際證明指向volatile變量的指針也是非常普遍的，特別是內(nèi)存映射I/O寄存器。下面兩個聲明都將p_reg聲明為一個volatile的無符號8位整型指針：

volatile uint8_t * p_reg; 
uint8_t volatile * p_reg;


指向非volatile數(shù)據(jù)的volatile指針是非常少見的，但是我最好還是講一下語法：

uint16_t * volatile p_x;


并且，為了完整性，如果你真的需要一個指向volatile數(shù)據(jù)的volatile指針，你可以這樣寫：

uint16_t volatile * volatile p_y;


順便提一句，如果你想得到一個更好的解釋對于如何選擇在哪兒放置volatile以及為什么要放在數(shù)據(jù)類型的后面（例如，int volatile * foo），可以閱讀Dan Sak's的欄目，"Top-Level cv-Qualifiers in Function Parameters" (Embedded Systems Programming, February 2000, p. 63)。

最后，如果你將volatile應(yīng)用于結(jié)構(gòu)體或者共用體，那么整個結(jié)構(gòu)體或者共用體就都是volatile的。如果你并不是想這樣，你可以對結(jié)構(gòu)體或者共用體中需要的成員單獨的添加volatile限定符。

正確的使用C的volatile關(guān)鍵字

如果一個變量的值會被意想不到的修改那它應(yīng)該被volatile修飾，實際上，只有三種類型的變量可以被修改：

1.內(nèi)存映射外設(shè)寄存器

2.被中斷服務(wù)程序修改的全局變量

3.多線程內(nèi)部的多任務(wù)訪問的全局變量

我們將在下面的章節(jié)討論每一種情況。

外設(shè)寄存器

嵌入式系統(tǒng)包含真正的硬件，通常帶有復(fù)雜的外設(shè)。這些外設(shè)包含可能被程序流異步更改的寄存器。在一個非常簡單的程序中，包含一個8位的狀態(tài)寄存器，它的內(nèi)存地址被映射到0x1234。需要你輪詢這個狀態(tài)寄存器直到它的值變?yōu)榉?。不正確的實現(xiàn)如下：

uint8_t * p_reg = (uint8_t *) 0x1234;

// Wait for register to read non-zero 
do { ... } while (0 == *p_reg)


一旦你打開編譯器優(yōu)化，這段代碼幾乎肯定會失敗。這是因為編譯器將生成如下的匯編語言（這里以16位x86機器為例）：

mov p_reg, #0x1234
  mov a, @p_reg
loop:
  ...
  bz loop


優(yōu)化器的理由很簡單：它已經(jīng)把變量的值讀取到了累加器中（對應(yīng)匯編代碼第二行），后面就不需要再重復(fù)讀取了，這樣的話這個值總是相同的。因此，從匯編代碼的第三行開始就進入了一個死循環(huán)。要強制編譯器如我們想的那樣做，我們需要修改聲明如下：

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


匯編代碼現(xiàn)在看起來就像這樣：

mov p_reg, #0x1234
loop:
  ...
  mov a, @p_reg
  bz loop


因此實現(xiàn)了我們想要的行為。

當(dāng)具有特殊屬性的寄存器操作沒有volatile聲明時就會產(chǎn)生一些微妙的BUG。例如，許多外設(shè)具有通過簡單的讀取就能清除它們的寄存器。在這種情況下，額外的讀取可能會導(dǎo)致超出預(yù)期的行為。

中斷服務(wù)程序

中斷服務(wù)程序通常設(shè)置在主線代碼中被測試的變量。例如一個串口中斷程序也許測試每個收到的字符是否是一個ETX字符（用以表示消息的結(jié)尾），如果這個字符是ETX，中斷服務(wù)程序也許設(shè)置一個全局標志。一個不正確的實現(xiàn)可能如下：

bool gb_etx_found = false;

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

interrupt void rx_isr(void) 
{
    ... 
    if (ETX == rx_char) 
    {
        gb_etx_found = true;
    } 
    ...
}


【注意：我們不提倡使用全局變量；這段代碼使用僅為了讓例程簡短/清晰。】

在編譯器優(yōu)化關(guān)閉的情況下，這段程序也許正常的工作。然而，任何一半像樣的優(yōu)化器都會"破壞"這段程序。問題是編譯器不知道這個變量gb_etx_found可以在中斷服務(wù)程序中被更改，這似乎從來沒有被調(diào)用過。

就編譯器而言，表達式!gb_ext_found在循環(huán)中每次都是一樣的結(jié)果，因此，你不要想那能夠退出循環(huán)。因而，所有在while循環(huán)之后的代碼都可能被優(yōu)化器簡單的移除。如果你夠幸運，編譯器將警告你。如果你不夠幸運（或者你還沒有學(xué)會認真對待編譯器警告），你的代碼將不幸地失敗。自然，這責(zé)任將歸咎于"糟糕的優(yōu)化器"。

解決方案是使用volatile聲明變量gb_etx_found。這樣，程序就會按照你的預(yù)期正常工作。

多線程應(yīng)用

在實時操作系統(tǒng)中盡管存在隊列，管道，及其它調(diào)度感知的通信機制，但RTOS任務(wù)任然可能通過一段共享內(nèi)存來交換信息。當(dāng)你添加一個搶占式調(diào)度器到你的代碼中時，你的編譯器并不知道什么是上下文切換或者它何時發(fā)生，因此，一個任務(wù)異步修改一個共享的全局內(nèi)容就和中斷服務(wù)程序討論的情況差不多。因此所有全局對象（變量，內(nèi)存緩沖區(qū)，硬件寄存器等等）都必須聲明為volatile以防止編譯器優(yōu)化而引入的不可預(yù)料的行為。例如，下面的代碼詢問問題：

uint8_t gn_bluetask_runs = 0;

void red_task (void) 
{   
    while (4 < gn_bluetask_runs) 
    {
        ...
    } 
    // Exit after 4 iterations of blue_task.
}

void blue_task (void) 
{
    for (;;)
    {
        ...
        gn_bluetask_runs++;
        ...
    }
}


這段代碼將失敗一旦編譯器優(yōu)化被使能。使用volatile聲明gn_bluetask_runs是解決這個問題的正確方式。

【注意：我們不提倡使用全局變量，這段代碼使用全局變量僅僅是因為它正在說明volatile和全局變量的關(guān)系?！?/p>

【警告：被任務(wù)及中斷共享的全局變量還應(yīng)該被保護以防止競爭，比如通過互斥量?！?/p>

最后的想法

一些編譯器允許你隱式的聲明所有變量為volatile，抵制這種誘惑，因為它本質(zhì)上是思想的替代品。這也潛在的導(dǎo)致代碼效率降低。

另外，當(dāng)你的程序出現(xiàn)非預(yù)期的行為時，不要責(zé)備優(yōu)化器或者關(guān)掉它?，F(xiàn)代C/C++優(yōu)化器是如此出色，以至于我不記得上次遇到了優(yōu)化BUG。相反，我經(jīng)常遇到程序員使用volatile失敗。如果給你一份行為怪異的代碼去"修復(fù)"，請對volatile執(zhí)行g(shù)rep。如果grep為空，這里給出的示例可能是開始查找問題的好地方。