关键字volatile作用和用法

一、多线程编程中的volatile关键字

二、嵌入式编程中的volatile关键字

三、优化编译器优化

四、指针类型转换

一个定义为volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变，这样，编译器就不会去假设这个变量的值了。

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读取这个变量在内存中的值，而不是使用保存在寄存器里的备份（虽然读写寄存器比读写内存快）。

它主要用于处理与多线程、中断处理和硬件寄存器等相关的情况。

防止编译器优化：编译器在优化代码时会尝试将变量的访问操作优化为更高效的方式，例如将变量的值缓存在寄存器中。然而，对于某些特殊的变量，如多线程环境下的共享变量、中断处理中的标志位、硬件寄存器等，这种优化可能会导致意外的行为。使用 volatile 关键字可以告诉编译器不要对该变量进行优化，确保每次访问都从内存中读取或写入。

处理多线程共享变量：在多线程编程中，当一个变量被多个线程共享并且可能被一个线程修改时，需要使用 volatile 关键字来确保线程之间的可见性。这样可以防止编译器对共享变量的优化，确保每个线程都能正确地读取到最新的值。

处理中断和硬件寄存器：在中断处理程序中，某些变量可能由硬件直接修改，而不是通过常规的变量赋值操作。在这种情况下，使用 volatile 关键字可以确保编译器不会对这些变量的访问进行优化，以避免出现不一致的行为。

一、多线程编程中的volatile关键字

最常见的用途之一是在多线程编程中，通过volatile关键字告知编译器不要对变量进行优化，以避免出现意外的行为。例如，在多线程环境中，一个线程可能会修改某个变量，而另一个线程在不知情的情况下使用了这个变量。下面是一个示例，展示了在多线程编程中使用volatile的情况：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

volatile int sharedValue = 0;

void *threadFunction(void *arg)
{
    sharedValue = 10;
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, threadFunction, NULL);
    while (sharedValue != 10)
    {
        printf("1\n");
        //sleep(1);
    }
    printf("sharedValue has been modified.\n");

    pthread_join(thread,NULL);
    return 0;
}

编译代码：

gcc test_volatile.c -pthread

执行代码：

        在这段代码中，volatile关键字的作用是防止编译器对sharedValue变量进行优化。在多线程环境中，一个线程可能会在另一个线程改变sharedValue的值之前，就已经读取了sharedValue的值。如果编译器对sharedValue进行优化，可能会导致一个线程读取到的是旧的、已经被优化过的sharedValue的值，而不是最新的值。

        volatile关键字告诉编译器，sharedValue是一个易变的变量，可能会被程序的其他部分（例如其他线程、硬件设备等）改变。因此，每次引用sharedValue时，都需要直接从它在内存中的地址读取，而不能依赖可能已经过时的、保存在寄存器中的值。

        在这段代码中，volatile确保了主线程能够看到子线程对sharedValue的修改。如果没有volatile，编译器可能会认为主线程的循环是无效的（因为它可能认为sharedValue的值没有改变），并可能优化掉这个循环，导致程序的行为不正确。所以，volatile在这里是必要的，以确保程序的正确性。

二、嵌入式编程中的volatile关键字

在嵌入式编程中，硬件寄存器和内存映射设备常常需要使用volatile关键字，以确保编译器不会对其进行优化，从而保证与硬件的交互是准确的。以下是一个示例，展示了在嵌入式环境中使用volatile关键字的情况：

#include <stdio.h>

#define GPIO_PORT ((volatile unsigned int *)0x12345678)

int main() {
    *GPIO_PORT = 0xFF; // 将端口设置为全高电平

    // 假设在这里进行了一些与硬件相关的操作

    unsigned int value = *GPIO_PORT; // 读取端口的值

    printf("Value read from GPIO_PORT: %u\n", value);

    return 0;
}

这段代码试图直接访问物理地址0x12345678，这个地址是一个GPIO端口的地址。在大多数现代操作系统中，用户空间的程序是不能直接访问物理内存的，这是由操作系统的内存保护机制所决定的。当程序试图直接访问一个它没有权限访问的内存地址时，操作系统会产生一个段错误（Segmentation Fault）。

在这段代码中，*GPIO_PORT = 0xFF;和unsigned int value = *GPIO_PORT;这两行代码都试图直接访问物理地址0x12345678，这是不被允许的，所以会产生段错误。

如果你想在用户空间的程序中访问硬件，你需要使用特定的系统调用，或者使用某种方法将硬件映射到你的进程的地址空间中。具体的方法取决于你的硬件和操作系统。在Linux中，你可以使用mmap()函数将硬件映射到你的进程的地址空间中。在嵌入式系统中，你可能需要使用特定的库或者驱动程序来访问硬件。

在这段代码中，volatile关键字的作用是防止编译器对GPIO_PORT进行优化。volatile告诉编译器，GPIO_PORT是一个易变的变量，可能会被程序的其他部分（例如其他线程、硬件设备等）改变。因此，每次引用GPIO_PORT时，都需要直接从它在内存中的地址读取，而不能依赖可能已经过时的、保存在寄存器中的值。

在这段代码中，volatile确保了对GPIO_PORT的读写操作都是直接对内存进行的，而不会被编译器优化掉。这在硬件编程中是非常重要的，因为硬件的状态可能会在任何时候改变，我们需要确保每次读取或写入硬件时，都是获取或设置的最新的状态。如果没有volatile，编译器可能会认为某些对GPIO_PORT的读写操作是无效的（因为它可能认为GPIO_PORT的值没有改变），并可能优化掉这些操作，导致程序的行为不正确。所以，volatile在这里是必要的，以确保程序的正确性。

三、优化编译器优化

在某些情况下，我们可能希望关闭编译器的某些优化，以便更好地进行调试或者对代码进行性能分析。volatile关键字可以在这方面发挥作用。以下是一个示例，展示了如何使用volatile来关闭编译器优化：

#include <stdio.h>

volatile int debugFlag = 0;

void debugPrint(const char *message) {
    if (debugFlag) {
        printf("Debug: %s\n", message);
    }
}

int main() {
    debugFlag = 1;

    debugPrint("This is a debug message.");

    return 0;
}

在这段代码中，volatile关键字的作用是防止编译器对debugFlag进行优化。volatile告诉编译器，debugFlag是一个易变的变量，可能会被程序的其他部分（例如其他线程、硬件设备等）改变。因此，每次引用debugFlag时，都需要直接从它在内存中的地址读取，而不能依赖可能已经过时的、保存在寄存器中的值。

在这段代码中，volatile确保了对debugFlag的读写操作都是直接对内存进行的，而不会被编译器优化掉。这在调试代码时是非常重要的，因为debugFlag的状态可能会在任何时候改变，我们需要确保每次读取或写入debugFlag时，都是获取或设置的最新的状态。如果没有volatile，编译器可能会认为某些对debugFlag的读写操作是无效的（因为它可能认为debugFlag的值没有改变），并可能优化掉这些操作，导致程序的行为不正确。所以，volatile在这里是必要的，以确保程序的正确性。

四、指针类型转换

有时候，我们可能需要在指针类型之间进行转换，而编译器会认为这是不安全的操作，从而导致编译错误。使用volatile关键字可以告知编译器，这个类型转换是有意义的，不应该引发错误。以下是一个示例：

#include <stdio.h>

int main() {
    int value = 42;
    int *volatile volatileIntPtr = &value;
    void *voidPtr = (void *)volatileIntPtr;

    int *newValuePtr = (int *)voidPtr;
    printf("New value: %d\n", *newValuePtr);

    return 0;
}