Question

我读到了内存映射硬件寄存器，ISR和多线程程序中C volatile关键字的用法。

1）注册

uint8_t volatile * pReg;
while (*pReg == 0) { // do sth } // pReg point to status register

2）ISR

int volatile flag = 0;
int main() 
{
    while(!flag) { // do sth }
}
interrupt void rx_isr(void)
{
    //change flag
}

3）多线程

int volatile var = 0;
int task1()
{
    while (var == 0) { // do sth }
}
int task2()
{
    var++;
}

我可以看到为什么编译器可能会错误地优化案例1中的while，如果volatile不存在，＆＃39;因为变量是从硬件进行的，编译器可能看不到由代码创建的变量的任何更改。

但对于案例2）和3），为什么需要使用volatile？在这两种情况下，变量都声明为 global ，编译器可以看到它被使用了在不止一个地方。那么，如果变量不是while，为什么编译器会优化volatile循环呢？

是因为编译器副设计不知道＆＃34;异步调用＆＃34; （在ISR情况下）或多线程？但这不可能，对吧？

此外，案例3）看起来像是没有volatile关键字的多线程中的常见程序。我们假设我在全局变量中添加了一些锁定（没有volatile关键字）：

int var = 0;
int task1()
{
    lock();   // some mutex
    while (var == 0) { do sth }
    release()
}
int task2()
{
    lock();
    var++;
    release();
}

对我而言看起来很正常。那么在多线程中我真的需要volatile吗？ 为什么我从未见过volatile限定符添加到变量中以避免在之前优化多线程程序？

Answer 1

使用volatile关键字的要点是防止编译器生成使用CPU寄存器的代码作为表示变量的更快方法。这会强制编译代码在每次访问时访问RAM中的确切内存位置，以获取可能已由另一个实体更改的最新值。通过添加volatile，我们确保我们的代码知道任何其他人（如硬件或ISR）对变量所做的任何更改，并且不会发生一致性问题。

如果没有volatile关键字，编译器会尝试通过将RAM中的变量内容读入CPU寄存器一次来生成更快的代码，并在循环或函数中使用该缓存值。访问RAM可能比访问CPU寄存器慢几十倍。

我已经有过第1项和第2项的经验，但我认为您不需要在多线程环境中将变量定义为volatile。添加锁定/解锁机制对于解决同步问题是必要的，与volatile的内容无关。

Answer 2

编译器确实允许 else 更改变量，除非满足某些特定条件。其中一个是易失性访问;其他是一定的编译障碍。

您可能想到的编写多线程代码的天真方式确实容易出错，并且会被视为未定义的行为。如果你有正确的多线程代码，那么优化仍然是合法的（比如你的最终task1，其中循环仍然是UB并且可能被抛出），或者同步原语将包含必要的障碍（通常在一些原子变量的内部）。

为了解决这个问题，这里是多线程示例的更正版本：

 for (;;)
 {
     lock();
     if (var != 0) { unlock(); break; }
     unlock();
 }

unlock()函数的实现引入了一个编译器屏障，可确保无法优化循环。

Answer 3

是因为编译器副设计不知道“异步调用”（在ISR情况下）或多线程？但这不可能，对吧？

是的，就是这样。

在C语言中，编译器没有并发概念，因此只要单个线程的视图无法注意到差异，就可以重新排序和缓存内存访问。

这就是为什么你需要volatile（阻止对变量进行这种优化），内存障碍（在所有变量的程序的单个点上阻止它）或其他形式的同步，如锁定（通常作为内存障碍））。

Answer 4

您可以使用障碍自由地避免多线程软件中的volatile变量。你可以在linux内核源代码中找到很多例子。使用障碍而不是volatile允许编译器生成更有效的代码。

Answer 5

关于案例2），

我在你的问题中多次编写了与案例2相同的代码，并没有遇到任何问题。我认为这是因为现代编译器可以处理这种情况。比如，编译器可以“看到”我在“rx_isr”中更改“flag”，并且不添加任何优化。但是，由于以下原因，这是不安全的：

1）编译器的优化级别，这可能会影响以下原因3）

2）调用isr的方法，可能是函数指针超出了编译器的视图

3）编译器实现，不同的编译器可能有不同的定义“看到标志在isr中改变了”

...

因此，为了最大限度地保证安全性和便携性，只需添加“volatile”。

ISR和多线程程序中的C'Volatile'关键字？

5 个答案: