IT专家为什么C中需要挥发物.docx

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IT专家为什么C中需要挥发物

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为什么C中需要挥发物？

WhyisvolatileneededinC?

Whatisitusedfor?

Whatwillitdo?

为什么C中需要挥发物?

它的用途是什么?

它会做什么?

316

Volatiletellsthecompilernottooptimizeanythingthathastodowiththevolatile

variable.

Volatile告诉编译器不要优化与Volatile变量有关的任何东西。

Thereisonlyonereasontouseit:

Whenyouinterfacewithhardware.

使用它只有一个原因:

当您与硬件交互时。

Let’ssayyouhavealittlepieceofhardwarethatismappedintoRAMsomewhereand

thathastwoaddresses:

acommandportandadataport:

假设你有一小块硬件被映射到某个地方的RAM中它有两个地址:

一个命令端口和

一个数据端口:

typedefstructintcommand;intdata;intisbusy;}MyHardwareGadget;Nowyouwant

tosendsomecommand:

现在你想发送一些命令:

voidSendCommand（MyHardwareGadget*gadget,intcommand,intdata）//wait

whilethegadgetisbusy:

while（gadget-isbusy）//donothinghere.//setdatafirst:

gadget-

data=data;//writingthecommandstartstheaction:

gadget-command=command;

Lookseasy,butitcanfailbecausethecompilerisfreetochangetheorderinwhichdata

andcommandsarewritten.Thiswouldcauseourlittlegadgettoissuecommandswiththe

previousdata-value.Alsotakealookatthewaitwhilebusyloop.Thatonewillbe

optimizedout.Thecompilerwilltrytobeclever,readthevalueofisbusyjustonceand

thengointoaninfiniteloop.That’snotwhatyouwant.

看起来很简单，但它可能会失败，因为编译器可以自由更改数据和命令的顺序。

这将导致我们的小工具使用前面的数据值发出命令。

还可以查看“忙循环”时的等

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待。

这个会被优化。

编译器将尝试聪明一点，只读一次isbusy的值，然后进入一个

无限循环。

那不是你想要的。

Thewaytogetaroundthisistodeclarethepointergadgetasvolatile.Thiswaythe

compilerisforcedtodowhatyouwrote.Itcan’tremovethememoryassignments,itcan’t

cachevariablesinregistersanditcan’tchangetheorderofassignmentseither:

解决这个问题的方法是将指针小部件声明为volatile。

这样，编译器就被迫执行您

所编写的操作。

它不能删除内存分配，不能缓存寄存器中的变量，也不能改变分配

的顺序:

Thisisthecorrectversion:

这是正确的版本:

voidSendCommand（volatileMyHardwareGadget*gadget,intcommand,intdata）//

waitwhilethegadgetisbusy:

while（gadget-isbusy）//donothinghere.//setdatafirst:

gadget-data=data;//writingthecommandstartstheaction:

gadget-command=

command;147

Anotheruseforvolatileissignalhandlers.Ifyouhavecodelikethis:

volatile的另一个用途是信号处理程序。

如果你有这样的代码:

quit=0;while（!

quit）/*verysmallloopwhichiscompletelyvisibletothecompiler*/

Thecompilerisallowedtonoticetheloopbodydoesnottouchthequitvariableand

convertthelooptoawhile（true）loop.Evenifthequitvariableissetonthesignalhandler

forSIGINTandSIGTERM;thecompilerhasnowaytoknowthat.

编译器可以注意到循环主体不触及quit变量，并将循环转换为while（true）循环。

纵然在信号处理器上为SIGINT和SIGTERM设置了quit变量;编译器无法知道这一

点。

However,ifthequitvariableisdeclaredvolatile,thecompilerisforcedtoloaditevery

time,becauseitcanbemodifiedelsewhere.Thisisexactlywhatyouwantinthissituation.

但是，如果quit变量被声明为volatile，编译器将被迫每次加载它，因为它可以在

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其他地方进行修改。

这正是你在这种情况下想要的。

122

volatileinCactuallycameintoexistenceforthepurposeofnotcachingthevaluesof

thevariableautomatically.Itwilltellthemachinenottocachethevalueofthisvariable.

Soitwilltakethevalueofthegivenvolatilevariablefromthemainmemoryeverytimeit

encountersit.Thismechanismisusedbecauseatanytimethevaluecanbemodifiedby

theOSoranyinterrupt.Sousingvolatilewillhelpusaccessingthevalueafreshevery

time.

实际上，在C中出现volatile是为了不自动缓存变量的值。

它将告诉机器不要缓

存这个变量的值。

因此每次它遇到主存储器时，它都会从主存储器中取出给定的可

变变量的值。

之因此使用这种机制，是因为在任何时候，操作系统或任何中断都可

以修改该值。

因此，使用volatile将帮助我们每次重新访问该值。

volatiletellsthecompilerthatyourvariablemaybechangedbyothermeans,thanthe

codethatisaccessingit.e.g.,itmaybeaI/O-mappedmemorylocation.Ifthisisnot

specifiedinsuchcases,somevariableaccessescanbeoptimised,e.g.,itscontentscanbe

heldinaregister,andthememorylocationnotreadbackinagain.

volatile告诉编译器，与访问变量的代码相比，您的变量可以通过其他方式进行更

改。

例如，它可能是一个I/o映射的内存位置。

如果在这种情况下没有指定此选

项，则可以优化一些变量访问，例如，它的内容可以在寄存器中保存，而内存位置

不会再次读取。

SeethisarticlebyAndreiAlexandrescu,“volatile-MultithreadedProgrammer’sBest

Friend”

请参阅安德烈·亚历山大斯库的这篇文章，“volatile—多线程程序员最好的朋友”

Thevolatilekeywordwasdevisedtopreventcompileroptimizationsthatmight

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rendercodeincorrectinthepresenceofcertainasynchronousevents.Forexample,ifyou

declareaprimitivevariableasvolatile,thecompilerisnotpermittedtocacheitina

amongmultiplethreads.Sothegeneralruleis,ifyouhavevariablesofprimitivetypethat

mustbesharedamongmultiplethreads,declarethosevariablesvolatile.Butyoucan

actuallydoalotmorewiththiskeyword:

youcanuseittocatchcodethatisnotthread

safe,andyoucandosoatcompiletime.Thisarticleshowshowitisdone;thesolution

involvesasimplesmartpointerthatalsomakesiteasytoserializecriticalsectionsofcode.

volatile关键字被设计用来防止编译器优化，在某些异步事件出现时可能导致代码

不正确。

例如，如果将原始变量声明为volatile，则不允许编译器将其缓存到寄存器

中——如果在多个线程之间共享该变量，这种常见的优化将是灾难性的。

一般的规

则是，如果你有基本类型的变量必须在多个线程之间共享，那么声明这些变量是可

变的。

但是您实际上可以使用这个关键字做更多的事情:

您可以使用它来捕获不属于

线程安全的代码，并且您可以在编译时这样做。

这篇文章展示了它是如何实现的;解

决方案包括一个简单的智能指针，它还可以使代码的关键部分更容易序列化。

ThearticleappliestobothCandC++.

本文同时适用于C和c++。

Alsoseethearticle“C++andthePerilsofDouble-CheckedLocking”byScottMeyers

andAndreiAlexandrescu:

还可以参阅斯科特·迈耶斯（ScottMeyers）和安德烈·亚历山大斯库（Andrei亚历山大）

的文章《c++和双重检查锁定的危险》（c++andthedangerofdoublecheck-locked）:

Sowhendealingwithsomememorylocations（e.g.memorymappedportsormemory

referencedbyISRs[InterruptServiceRoutines]）,someoptimizationsmustbe

suspended.volatileexistsforspecifyingspecialtreatmentforsuchlocations,specifically:

（1）thecontentofavolatilevariableis“unstable”（canchangebymeansunknowntothe

compiler）,

（2）allwritestovolatiledataare“observable”sotheymustbeexecuted

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religiously,and（3）alloperationsonvolatiledataareexecutedinthesequenceinwhich

theyappearinthesourcecode.Thefirsttworulesensureproperreadingandwriting.The

lastoneallowsimplementationofI/Oprotocolsthatmixinputandoutput.Thisis

informallywhatCandC++’svolatileguarantees.

因此，在处理某些内存位置（例如，ISRs[中断服务例程]引用的内存映射端口或内

存）时，必须暂停一些优化。

波动存在指定特殊待遇等地点,具体来说:

（1）一个volatile

变量的内容是“不稳定的”（编译器可以改变通过未知）,

（2）挥发性数据的写入是“看得见

的”因此他们必须执行宗教,和（3）执行所有操作波动数据序列中出现在他们的源代

码。

前两个规则确保正确的阅读和写作。

最后一个允许实现混合输入和输出的I/O

协议。

这是C和c++不稳定的保证。

我的简单的解释是:

Insomescenarios,basedonthelogicorcode,thecompilerwilldooptimisationof

variableswhichitthinksdonotchange.Thevolatilekeywordpreventsavariablebeing

optimised.

在某些情况下，基于逻辑或代码，编译器会对它认为不会改变的变量进行优化。

volatile关键字防止优化变量。

Forexample:

例如:

boolusb_interface_flag=0;while（usb_interface_flag==0）//executelogicforthe

scenariowheretheUSBisn’tconnectedFromtheabovecode,thecompilermaythink

usb_interface_flagisdefinedas0,andthatinthewhileloopitwillbezeroforever.After

optimisation,thecompilerwilltreatitaswhile（true）allthetime,resultinginaninfinite

loop.

从上面的代码中，编译器可能认为usb_interface_flag定义为0，而在while循环

中，它将永远为0。

在优化之后，编译器会一直处理它（true），导致无限循环。

Toavoidthesekindsofscenarios,wedeclaretheflagasvolatile,wearetellingto

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compilerthatthisvaluemaybechangedbyanexternalinterfaceorothermoduleof

program,i.e.,pleasedon’toptimiseit.That’stheusecaseforvolatile.

为了避免这种情况，我们将标志声明为volatile，我们告诉编译器这个值可能会被

外部接口或程序的其他模块所改变，例如。

，请不要优化。

这就是volatile的用例。

Amarginaluseforvolatileisthefollowing.Sayyouwanttocomputethenumerical

derivativeofafunctionf:

挥发物的边际用途如下。

如果你想计算函数f的数值导数:

doubleder_f（doublex）staticconstdoubleh=1e-3;return（f（x+h）-f（x））/h;The

problemisthatx+h-xisgenerallynotequaltohduetoroundofferrors.Thinkaboutit:

whenyousubstractveryclosenumbers,youlosealotofsignificantdigitswhichcanruin

thecomputationofthederivative（think1.00001-1）.Apossibleworkaroundcouldbe

问题是x+h-x一般不等于h，这是由于舍入误差造成的。

考虑一下:

当你减去非常

接近的数字时，你会丢失大量的有效数字，这会破坏导数的计算（想想1.00001-1）。

doubleder_f2（doublex）staticconstdoubleh=1e-3;doublehh=x+h-x;return（f（x

+hh）-f（x））/hh;butdependingonyourplatformandcompilerswitches,thesecondline

ofthatfunctionmaybewipedoutbyaaggressivelyoptimizingcompiler.Soyouwrite

instead

但是根据您的平台和编译器的切换，该函数的第二行可能会被一个积极的优化编

译器删除。

因此你写

volatiledoublehh=x+h;hh-=x;toforcethecompilertoreadthememorylocation

containinghh,forfeitinganeventualoptimizationopportunity.

强制编译器读取包含hh的内存位置，从而丧失最终的优化机会。

Therearetwouses.Thesearespeciallyusedmoreofteninembeddeddevelopment.

有两个用途。

这些在嵌入式开发中特别使用。

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Compilerwillnotoptimisethefunctionsthatusesvariablesthataredefinedwith

volatilekeyword

编译器不会优化使用volatile关键字定义的变量的函数

VolatileisusedtoaccessexactmemorylocationsinRAM,ROM,etc...Thisisused

moreoftentocontrolmemory-mappeddevices,accessCPUregistersandlocatespecific

memorylocations.

Volatile用于访问RAM、ROM等中的精确内存位置。

这通常用于控制内存映射设

备、访问CPU寄存器和定位特定的内存位置。

Seeexampleswithassemblylisting.Re:

UsageofC“volatile”KeywordinEmbedded

Development

参见组装清单示例。

Re:

在嵌入式开发中使用C“volatile”关键字

I’llmentionanotherscenariowherevolatilesareimportant.

我会提到另一种情况，挥发性很重要。

Supposeyoumemory-mapafileforfasterI/Oandthatfilecanchangebehindthe

scenes（e.g.thefileisnotonyourlocalharddrive,butisinsteadservedoverthenetwork

byanothercomputer）.

假设您为更快的I/O内存映射一个文件，该文件可以在幕后更改（例如，该文件不

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