挥发性及其有害影响

Question

我是嵌入式开发人员，在使用I / O端口时使用volatile关键字。但我的项目经理建议使用volatile关键字是有害的并且有很多缺点，但我发现在大多数情况下，volatile在嵌入式编程中很有用，据我所知，volatile在内核代码中是有害的，因为我们代码的更改将变为不可预知的。嵌入式系统中使用volatile还有什么缺点吗？

Answer 1

不，volatile无害。在任何情况下。永远。没有可能的格式良好的代码片段会随着volatile添加到对象（以及指向该对象的指针）而中断。但是， volatile通常知之甚少。内核文档声明volatile被认为有害的原因是人们继续使用它来破坏内核线程之间的同步。特别是，他们使用了volatile个整数变量，就好像对它们的访问保证是原子的，它不是。

volatile也没用，特别是如果你去裸机，你将需要它。但是，与任何其他工具一样，在使用它之前了解volatile的语义非常重要。

volatile是什么

标准中对volatile个对象的访问权限被视为副作用，其方式与++和--的递增或递减相同。特别是，这意味着5.1.2.3（3），即

  

（...）实际实现不需要评估表达式的一部分，如果它可以推断出它的值没有被使用并且没有产生所需的副作用（包括由调用函数或访问volatile对象引起的任何副作用）

不适用。编译器必须在每个序列点丢弃它认为知道的volatile变量值的所有内容。 （与其他副作用一样，当volatile个对象的访问发生时，由序列点控制）

这种影响主要是禁止某些优化。举个例子，代码

int i;

void foo(void) {
  i = 0;
  while(i == 0) {
    // do stuff that does not touch i
  }
}

允许编译器使其成为一个永远不会再次检查i的无限循环，因为它可以推断出i的值在循环中没有改变，因此i == 0永远不会是假的。 即使存在可以改变i 的其他线程或中断处理程序，也是如此。编译器不知道它们，它并不关心。明确允许不在乎。

将此与

对比

int volatile i;

void foo(void) {
  i = 0;
  while(i == 0) { // Note: This is still broken, only a little less so.
    // do stuff that does not touch i
  }
}

现在，编译器必须假设i可以随时更改，并且无法进行此优化。当然，这意味着如果处理中断处理程序和线程，volatile对象是同步所必需的。 然而，它们还不够。

volatile不是

volatile不保证原子访问权限。如果您习惯于嵌入式编程，这应该具有直观意义。如果您愿意，请考虑以下8位AVR MCU的代码：

uint32_t volatile i;

ISR(TIMER0_OVF_vect) {
  ++i;
}

void some_function_in_the_main_loop(void) {
  for(;;) {
    do_something_with(i); // This is thoroughly broken.
  }
}

此代码被破坏的原因是对i的访问不是原子的 - 在8位MCU上不能是原子的。例如，在这种简单的情况下，可能会发生以下情况：

• i是0x0000ffff
• do_something_with(i)即将被称为
• 将i的高两个字节复制到此调用的参数槽中
• 此时，定时器0溢出且主循环中断
• ISR更改i。 i的低两个字节溢出，现在是0。 i现在是0x00010000。
• 主循环继续，i的低两个字节被复制到参数槽
以do_something_with作为参数调用
• 0。

PC和其他平台上也可能发生类似情况。如果有的话，更多的机会可以通过更复杂的架构打开。

外卖

所以不，使用volatile并不坏，你（通常）必须在裸机代码中使用它。但是，当你使用它时，你必须记住它不是一根魔杖，你仍然必须确保你不会绊倒自己。在嵌入式代码中，通常采用特定于平台的方式来处理原子性问题;例如，在AVR的情况下，通常的撬棍方法是在持续时间内禁用中断，如

uint32_t x;
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE) {
  x = i;
}
do_something_with(x);

... ATOMIC_BLOCK宏之前调用cli()（禁用中断），然后sei()（启用中断），如果事先已启用它们。

C11是第一个明确承认存在多线程的C标准，引入了一系列新的原子类型和内存防护操作，可用于线程间同步，并且在很多情况下使用{ {1}}不必要。如果您可以使用它们，那么它可能需要一段时间才能到达所有常见的嵌入式工具链。有了它们，上面的循环可以像这样修复：

volatile

......最基本的形式。更轻松的内存顺序语义的精确语义超出了SO答案的范围，因此我将坚持使用默认的顺序一致的东西。

如果您对它感兴趣，Gil Hamilton在评论中提供了一个链接，用于解释使用C11原子的无锁堆栈实现，虽然我觉得它并不是很好写出内存顺序语义本身。然而，C11模型似乎与C ++ 11内存模型密切相关，其中存在有用的表示here。如果我找到了一个特定于C11的注释的链接，我会稍后将它放在这里。

Answer 2

只有当这样限定的对象可以异步更改时，

volatile才有用。这种变化可能会发生

• 如果对象实际上是硬件IO寄存器或类似的程序外部更改
• 如果对象可能被信号处理程序更改
• 如果在调用setjmp和longjmp
之间更改了对象

在所有这些情况下，必须声明您的对象volatile，否则您的程序将无法正常运行。 （您可能会注意到不同线程之间共享的对象不在列表中。）

在所有其他情况下，您不应该，因为您可能缺少优化机会。另一方面，限定不属于上述点的对象volatile将不会使您的代码不正确。

Answer 3

Volatile告诉编译器不要优化与volatile变量有关的任何东西。

为什么＆＃34;不稳定＆＃34;不应该使用类型类？ - 内核文档中的最佳文章

https://www.kernel.org/doc/Documentation/volatile-considered-harmful.txt

Answer 4

使用volatile在必要且适当的情况下更有可能是有害的！对volatile的任何感知问题的解决方案不是禁止使用它，因为在许多情况下，安全和正确的语义是必要的。相反，解决方案是了解其目的和行为。

对于可能在编译器知识之外进行更改的任何数据（例如I / O和双端口或DMA存储器），这一点至关重要。访问执行上下文（如线程和中断处理程序）之间共享的内存也是必要的。这也许是困惑所在;它确保显式读取此类内存，并且不强制执行原子性或互斥 - 需要其他机制，但这并不排除volatile，但它只是共享内存访问解决方案的一部分。 / p>

请参阅以下使用volatile的文章（并将它们发送给您的项目经理！）：

• Place volatile accurately by Dan Saks.
• Introduction to the volatile keyword by Nigel Jones
• Guidelines for handling volatile variables by Colin Walls
• Combining C's volatile and const keywords - Michael Barr

Answer 5

volatile是c中的一个关键字，它告诉编译器不要对该变量进行任何类型的优化。

让我举个简单的例子：

int temp;
for ( i=0 ;i <5 ; i++ )
{
    temp = 5;

}

编译器将如何优化代码：

int temp;
temp = 5; /* assigned temp variable before the loop. */
for ( i=0 ;i <5 ; i++ )
{

}

但是如果我们提到volatile关键字，那么编译器将不会对temp变量进行任何类型的优化。

volatile int temp;
for ( i=0 ;i <5 ; i++ )
{
    temp = 5;

}

＆＃34;挥发性被认为是有害的＆＃34; ---＆GT;我不认为挥发性有害。如果您不想从编译器端进行任何优化，请使用volatile。

例如，考虑温度计公司使用这段代码，temp是一个变量，用于获取可随时改变的大气温度。因此，如果我们不使用volatile，那么编译器将进行优化，并且大气温度将始终相同。