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C语言系列文章之volatile

emOsprey 鱼鹰谈单片机 2021-02-01

预计阅读时间: 4 分钟


和 const 不同(关于 const 可以看 const 小节),当一个变量声明为 volatile,说明这个变量会被意想不到的改变。最为典型的就是 I/O 的输入寄存器了,因为这个变量的值和外部电平有关系,一旦外部电平发生了变化,那么这个变量也就跟着变。当然还有其它寄存器也是如此,比如各种状态寄存器、定时计数器等,他们的改变是靠硬件来改变的,你的程序只能读取数据,所以一定要申明为 volatile 才行,这样当你的优化级别提高的时候,你的程序也就能保证不会因为过度优化而出现问题。


那么申明为 volatile 的变量对编译器有什么影响呢?我们知道编译器是有优化功能的,很多时候,有些变量的值在运行过程可能是不变的,如果每次访问这个变量都要从原来的内存获得变量值,那是很浪费时间的,如果你让你的的编译器不做优化,那么它每次访问这个变量都会从内存读出数据,这样不仅效率不高,代码量也会比较大,而一旦进行优化了,编译器就会把它认为不变的量保存在内部寄存器中,每次访问这个变量的时候就访问这个寄存器就可以了,这样运行效率将大大提高。所以一般写代码的时候都会有两个版本,一个是 Debug 版本,一个是 Release 版本。 Debug 版本和 Release 版本其中的一个区别就是优化级别的不同,当然他们的不同不仅仅表现在这两个方面。


首先来看看两个不同优化等级的情况下的代码情况吧:



可以看到效果还是很明显的。


首先是 Code 减少了 24.1%,RO-data 不变,RW-data 减小了 8,这是因为我在程序中申明了两个指针在程序中并没有使用,所以被优化掉了。



就是这两货占用了 8 个字节空间,现在因为优化等级提高,被优化掉了。然后ZI-data 保持不变。


这样看来,优化效果还是很明显的。但是代码运行会不会出问题,很大程度上就是volatile 的问题了。


现在看看库函数的 GPIO 结构体声明:



可以看到每个寄存器声明都是 __IO,而 __IO 最终可以看到就是 volatile:



所以每次编译器碰到申明为 volatile 的变量就不敢用寄存器中的备份了,而是从原来的内存中访问数据。


除了硬件寄存器,还有多线程共享的变量和中断服务程序的使用变量,它们都是类似的道理,都是在一个函数中可能不改变,而在其他函数(中断处理函数或者其他线程的函数)可能改变的情况,如果不声明 volatile,那么编译器看到这个变量在一个函数中不改变,就可能会只访问一次内存,然后保存到寄存器中,使用时可能都只用寄存器的副本,而一旦其他程序也对这个变量进行了写操作,它是察觉不出来的,还可能破坏这次写操作,详细内容可以看信号量部分。


说到这里,就想到一个朋友遇到的情况。当时他有一个变量在中断处理程序中进行自加,而在 main 函数中进行读取,然后调试发现这个变量读出始终为 0,根本没有改变,但能确定已经进入中断处理程序了。当时我也知道这么个情况,但是我有其他事情,就没有深究。后来他调了半天加上了 volatile 关键字才解决,之后我问他是否是编译优化级别太高了,他说优化级别根本没动过,所以他只是怀疑,并没有真正去看他编译器的级别。等我叫他再去验证的时候发现真的是优化等级高了,根本不是 level 0,而是  level 3。


当然了,如果说你懂一点汇编语言,这个问题应该比较好解决,因为不管编译器怎么优化,最终都会在汇编层面得到体现,如果发现汇编代码始终使用寄存器的副本,那么就可以判定优化基本太高了,这个时候将优化级别设置为 level 0 就没有问题了,但是最好的办法还是加上 volatile,因为以后你可能会进行优化处理也说不定呢!



-THE END-



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