C语言volatile关键字详解

一、Volatile作用

volatile 属于 C 语言的关键字，《C Primer Puls》 是这样解释关键字的：关键字是 C 语言的词汇，由于编译器不具备真正的智能，所以你必须用编译器能理解的术语表示你的意图。 开发者告诉编译器该变量是易变的，就是希望编译器去注意该变量的状态，时刻注意该变量是易变的，每次读取该变量的值都重新从内存中读取。

int i = 10;
int main(void){
    int a, b;
    a = i;
    ...//伪代码，里面不含有对 a 、 b 以及 i的操作
    b = i;
    if(a == b){
        printf("a = b");
    }
    else {
        printf("a != b");
    }
    return 0;
}

如上代码，如果选择编译器优化，可能会被编译成如下代码（当然不是在 C 语言层面上优化，而是在汇编过程优化，只是使用 C 程序举例）：

int i = 10;
int main(void){
    int a, b;
    a = i;
    ...//伪代码，里面不含有对 a 、 b 以及 i的操作
    b = i;
    printf("a = b");
    return 0;
}

因为在仅仅从 main 主函数来看，a == b 是必然的，那么在什么情况，a 和 b 不是必然相等呢？

• i 是其他子线程与主线程共享的全局变量，其他子线程有可能修改 i 值；
• i 是中断函数与主函数共享的全局变量，中断函数有可能修改 i 值；
• i 属于硬件寄存器，CPU 可能通过硬件直接改变 i 的值（例如寄存器的标志位）

但是仔细想一想，好像我们都遇到过上述情况，也没有对相对应的变量使用 volatile 修饰呀？也没出现奇怪的问题呀？
注意是在开启了编译器优化，编译器其实是默认不优化的，这对入门者是友好的，但是当进入企业开发中，我们可能选择了编译器优化，以减少可执行程序大小和提高性能，这时候我们就不得不去考虑编译器优化问题，如何启动编译器优化，我们结合 GCC 编译器和 keil 开发软件分析。

使用 GCC 编译器时，在编译命令加入 -On ; n: 0 ~ 3，数字代表优化等级，数字越大，优化级别越高。如：

gcc -O2 -O hello hello.c

使用 keil 软件，我们可以通过如下操作选择优化级别：

二、volatile关键字的应用场景

1、自定义延时函数

#include <stdio.h>
void delay(long val);
int main(){
    delay(1000000);
    return 0;
}
void delay(long val){
    while(val--);
}

上面的代码主要是通过 CPU 不断进行无意义的操作达到延时的效果，这种操作如果不启用编译器优化是可以达到预期效果的，但是启用编译器优化就会被优化成如下效果（当然不是在 C 语言层面上优化，而是在汇编过程优化，只是使用 C 程序举例）：

#include <stdio.h>
void delay(long val);
int main(){
    delay(1000000);
    return 0;
}
void delay(long val){
    ;
}

注意：实际上编译器在编译优化时甚至将这个延时函数优化没了。
这个时候，delay 函数就起不了效果了，需要使用 volatile 修饰 val ；具体可见：
GCC编译器优化空操作

2、多线程共享的全局变量

多线程数据安全问题一直是系统编程常见的问题，为了解决这类问题，衍生出互斥锁、条件变量、临界区以及自旋锁等解决办法，如上都是为了线程数据同步，但是要做到线程数据同步，我们还需要注意一个编译器优化问题。

我们都知道，每一个线程虽然共享一个进程的资源，但是每个线程同样拥有自己的私有堆栈，保证每个线程函数中定义的局部变量相互之间不可见；线程间通信是十分简单的，其中一个十分常见的方式就是通过共享全局变量，全局变量对于每一个线程都是可见的，但是线程的每一次读写全局变量都是对全局变量直接操作吗，答案是否定的。例如下面这个操作（伪代码）：

//一个全局变量a
int a = 1;
int main(){
    int b,c,d,e,f;
    //多次赋值
    b = a;
    c = a;
    d = a;
    e = a;
    f = a;
    ....
}
void *child_pth_fun{
    //子线程修改a值
    a = 2;
    ......
}

如果每次赋值都去内存中读入 a , 对于程序来说开销实在太大了，所以系统可能会在cpu的高速缓存中读取数据，加快程序执行效率，也正是因为优化原因，如果这个全局变量是多线程共享的，子线程可能在任意时刻改变 a 在内存中的值，但是主程序的高速缓存却是过去 a 的值，就可能出现数据未同步问题。

会出现什么问题、怎么解决此类问题、怎么去复现数据不同步问题。

3、中断函数与主函数共享的全局变量

中断函数和主函数共享的全局变量需要使用 volatile 修饰的情况是相似的。

4、硬件寄存器

什么叫硬件寄存器，学过硬件的同学应该不陌生，我们在做按键检测的时候是不是下面这种流程：
（1）设置 GPIO 对应的寄存器配置成输入模式
（2）不断地去访问 GPIO 电平标志寄存器（或者是一个寄存器的标志位）
（3）根据寄存器值的某个二进制位确定当前引脚电平

那么有没有想过一个问题，是什么去改变硬件寄存器的值？其实，硬件寄存器上的值的是和底层电路相关的，硬件寄存器的值会影响电路，电路也会反过来影响硬件寄存器的值。

所以在这种情况下，编译器更不应该拷贝副本，而应该每次读写都从内存中读写，保证数据正确，声明成 volatile 可以防止出现数据出错问题。例如：

//GPIOE13 ---->LEDD7
//GPIOA28 ----> KEY2
//注意：裸机程序是直接在硬件上运行的程序，是不能使用标准C库。
#define GPIOEALTFN0 (*(volatile unsigned int *)0xC001E020)
#define GPIOEOUTENB (*(volatile unsigned int *)0xC001E004)
#define GPIOEOUT    (*(volatile unsigned int *)0xC001E000)
#define GPIOAALTFN1 (*(volatile unsigned int *)0xC001A024)
#define GPIOAOUTENB (*(volatile unsigned int *)0xC001A004)
#define GPIOAPAD    (*(volatile unsigned int *)0xC001A018)
void _start(void) //gcc编译器中，裸机程序的入口是start，不是main
{
    GPIOEALTFN0 &= ~(3<<26);
    GPIOEOUTENB |= (1<<13);
    GPIOAALTFN1 &= ~(3<<24);
    GPIOAOUTENB &= ~(1<<28);
    while(1)
    {
        //读取GPIO引脚电平
        if(!(GPIOAPAD & (1<<28)))
            GPIOEOUT &= ~(1<<13);
        else
            GPIOEOUT |= (1<<13);
    }
}

这种情况加volatile的情况是最多的，比如stm32函数库底层的寄存器定义就是加了volatile的：

参考资料