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优化内存访问-C语言中的volatile-理解变量易变性 (优化内存访问的方法)

admin3个月前 (04-19)数码21

概念

在 C 语言中, volatile 是一个关键字,用于告诉编译器变量的值是易变的,可能会在意料之外的情况下发生改变。

优化内存访问

volatile 关键字用于修饰那些可能被中断、信号处理程序或其他线程修改的变量。

易变性的概念

在一般情况下,编译器为了优化程序运行效率,会对变量进行一些优化,如寄存器缓存、常量传播等。在多线程、中断处理或外部硬件修改变量值的情况下,这种优化可能会导致预期之外的结果。

volatile 关键字的作用即在于告诉编译器,该变量的值可能会由外部因素改变,不能进行优化。

示例

以下代码展示了 volatile 关键字的用法:

volatile int status; // 声明一个易变的变量

void interrupt_handler() {
  status = 1; // 在中断处理程序中修改易变的变量
}

// 读取易变的变量,由于其值可能会被其他线程或中断程序修改,不能进行优化
if (volatile_var ==1) {
  // 执行相应的操作
}
    

使用场景

volatile 关键字主要适用于以下场景:

多线程环境

在多线程程序中,可能会有多个线程同时访问和修改同一个变量。为了保证线程之间的可见性和正确性,应该使用 volatile 关键字。

中断处理程序

在中断处理程序中,会修改全局变量的值。为了确保与被中断程序之间的正确通信,应该使用 volatile 关键字。

外部硬件

某些情况下,外部硬件可能会修改变量的值。为了防止编译器对该变量进行优化,应该使用 volatile 关键字。

总结

volatile 是 C 语言中的一个关键字,用于告诉编译器变量的值是易变的,可能会在意料之外的情况下发生改变。

它用于修饰那些可能被中断、信号处理程序或其他线程修改的变量。通过使用 volatile 关键字,可以保证变量的可见性和正确性,防止编译器对该变量的优化和缓存。

在多线程、中断处理程序或外部硬件修改变量值的情况下,应该使用 volatile 关键字。

需要注意的是, volatile 关键字不能替代线程间的同步机制,如互斥锁和原子操作。


C语言中Valatile关键字有什么用

volatile提醒编译器它后面所定义的变量随时都有可能改变,因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候,都会直接从变量地址中读取数据。 如果没有volatile关键字,则编译器可能优化读取和存储,可能暂时使用寄存器中的值,如果这个变量由别的程序更新了的话,将出现不一致的现象。 下面举例说明。 在DSP开发中,经常需要等待某个事件的触发,所以经常会写出这样的程序:short flag;void test(){do1();while(flag==0);do2();}这段程序等待内存变量flag的值变为1(怀疑此处是0,有点疑问,)之后才运行do2()。 变量flag的值由别的程序更改,这个程序可能是某个硬件中断服务程序。 例如:如果某个按钮按下的话,就会对DSP产生中断,在按键中断程序中修改flag为1,这样上面的程序就能够得以继续运行。 但是,编译器并不知道flag的值会被别的程序修改,因此在它进行优化的时候,可能会把flag的值先读入某个寄存器,然后等待那个寄存器变为1。 如果不幸进行了这样的优化,那么while循环就变成了死循环,因为寄存器的内容不可能被中断服务程序修改。 为了让程序每次都读取真正flag变量的值,就需要定义为如下形式:volatile short flag;需要注意的是,没有volatile也可能能正常运行,但是可能修改了编译器的优化级别之后就又不能正常运行了。 因此经常会出现debug版本正常,但是release版本却不能正常的问题。 所以为了安全起见,只要是等待别的程序修改某个变量的话,就加上volatile关键字。 volatile的本意是“易变的”由于访问寄存器的速度要快过RAM,所以编译器一般都会作减少存取外部RAM的优化。 比如:static int i=0;int main(void){ (1){if (i) do_something();}}/* Interrupt service routine. */void ISR_2(void){i=1;}程序的本意是希望ISR_2中断产生时,在main当中调用do_something函数,但是,由于编译器判断在main函数里面没有修改过i,因此可能只执行一次对从i到某寄存器的读操作,然后每次if判断都只使用这个寄存器里面的“i副本”,导致do_something永远也不会被调用。 如果变量加上volatile修饰,则编译器保证对此变量的读写操作都不会被优化(肯定执行)。 此例中i也应该如此说明。 一般说来,volatile用在如下的几个地方:1、中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量需要加volatile;2、多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile;3、存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile说明,因为每次对它的读写都可能由不同意义;另外,以上这几种情况经常还要同时考虑数据的完整性(相互关联的几个标志读了一半被打断了重写),在1中可以通过关中断来实现,2中可以禁止任务调度,3中则只能依靠硬件的良好设计了。 二、volatile 的含义volatile总是与优化有关,编译器有一种技术叫做数据流分析,分析程序中的变量在哪里赋值、在哪里使用、在哪里失效,分析结果可以用于常量合并,常量传播等优化,进一步可以死代码消除。 但有时这些优化不是程序所需要的,这时可以用volatile关键字禁止做这些优化,volatile的字面含义是易变的,它有下面的作用:1 不会在两个操作之间把volatile变量缓存在寄存器中。 在多任务、中断、甚至setjmp环境下,变量可能被其他的程序改变,编译器自己无法知道,volatile就是告诉编译器这种情况。 2 不做常量合并、常量传播等优化,所以像下面的代码: volatile int i = 1; if (i > 0) ... if的条件不会当作无条件真。 3 对volatile变量的读写不会被优化掉。 如果你对一个变量赋值但后面没用到,编译器常常可以省略那个赋值操作,然而对Memory Mapped IO的处理是不能这样优化的。 前面有人说volatile可以保证对内存操作的原子性,这种说法不大准确,其一,x86需要LOCK前缀才能在SMP下保证原子性,其二,RISC根本不能对内存直接运算,要保证原子性得用别的方法,如atomic_inc。 对于jiffies,它已经声明为volatile变量,我认为直接用jiffies++就可以了,没必要用那种复杂的形式,因为那样也不能保证原子性。 你可能不知道在Pentium及后续CPU中,下面两组指令 inc jiffies ;; mov jiffies, %eax inc %eax mov %eax, jiffies 作用相同,但一条指令反而不如三条指令快。 三、编译器优化 → C关键字volatile → memory破坏描述符zz“memory”比较特殊,可能是内嵌汇编中最难懂部分。 为解释清楚它,先介绍一下编译器的优化知识,再看C关键字volatile。 最后去看该描述符。 1、编译器优化介绍内存访问速度远不及CPU处理速度,为提高机器整体性能,在硬件上引入硬件高速缓存Cache,加速对内存的访问。 另外在现代CPU中指令的执行并不一定严格按照顺序执行,没有相关性的指令可以乱序执行,以充分利用CPU的指令流水线,提高执行速度。 以上是硬件级别的优化。 再看软件一级的优化:一种是在编写代码时由程序员优化,另一种是由编译器进行优化。 编译器优化常用的方法有:将内存变量缓存到寄存器;调整指令顺序充分利用CPU指令流水线,常见的是重新排序读写指令。 对常规内存进行优化的时候,这些优化是透明的,而且效率很好。 由编译器优化或者硬件重新排序引起的问题的解决办法是在从硬件(或者其他处理器)的角度看必须以特定顺序执行的操作之间设置内存屏障(memory barrier),linux 提供了一个宏解决编译器的执行顺序问题。 void Barrier(void)这个函数通知编译器插入一个内存屏障,但对硬件无效,编译后的代码会把当前CPU寄存器中的所有修改过的数值存入内存,需要这些数据的时候再重新从内存中读出。 2、C语言关键字volatileC语言关键字volatile(注意它是用来修饰变量而不是上面介绍的__volatile__)表明某个变量的值可能在外部被改变,因此对这些变量的存取不能缓存到寄存器,每次使用时需要重新存取。 该关键字在多线程环境下经常使用,因为在编写多线程的程序时,同一个变量可能被多个线程修改,而程序通过该变量同步各个线程,例如: DWORD __stdcall threadFunc(LPVOID signal) { int* intSignal=reinterpret_cast<int*>(signal); *intSignal=2; while(*intSignal!=1) sleep(1000); return 0; }该线程启动时将intSignal 置为2,然后循环等待直到intSignal 为1 时退出。 显然intSignal的值必须在外部被改变,否则该线程不会退出。 但是实际运行的时候该线程却不会退出,即使在外部将它的值改为1,看一下对应的伪汇编代码就明白了: mov ax,signal label: if(ax!=1) goto label对于C编译器来说,它并不知道这个值会被其他线程修改。 自然就把它cache在寄存器里面。 记住,C 编译器是没有线程概念的!这时候就需要用到volatile。 volatile 的本意是指:这个值可能会在当前线程外部被改变。 也就是说,我们要在threadFunc中的intSignal前面加上volatile关键字,这时候,编译器知道该变量的值会在外部改变,因此每次访问该变量时会重新读取,所作的循环变为如下面伪码所示: label: mov ax,signal if(ax!=1) goto label 3、Memory有了上面的知识就不难理解Memory修改描述符了,Memory描述符告知GCC: 1)不要将该段内嵌汇编指令与前面的指令重新排序;也就是在执行内嵌汇编代码之前,它前面的指令都执行完毕 2)不要将变量缓存到寄存器,因为这段代码可能会用到内存变量,而这些内存变量会以不可预知的方式发生改变,因此GCC插入必要的代码先将缓存到寄存器的变量值写回内存,如果后面又访问这些变量,需要重新访问内存。 如果汇编指令修改了内存,但是GCC 本身却察觉不到,因为在输出部分没有描述,此时就需要在修改描述部分增加“memory”,告诉GCC 内存已经被修改,GCC 得知这个信息后,就会在这段指令之前,插入必要的指令将前面因为优化Cache 到寄存器中的变量值先写回内存,如果以后又要使用这些变量再重新读取。 使用“volatile”也可以达到这个目的,但是我们在每个变量前增加该关键字,不如使用“memory”方便。

C语言中关键字volatile是什么意思

volatile的本意是一般有两种说法。 1.“暂态的 2.“易变的。 这两种说法都有可行。 一个定义为volatile的变量是说这变量可能会被意想不到的改变,这样,编译器就不会去假设这个变量的值了。 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的值,而不是使用保存在寄存器里的备份。

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标签: C语言

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