C语言之volatile

emOsprey  鱼鹰谈单片机 2月21日

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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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