【C语言】volatile 防止编译的时候被优化
volatile 易变的
volatile是 C 和 C++ 中的一个类型修饰符，用于指示编译器该变量可能在程序之外被更改，因此不应对其进行优化。这在涉及硬件寄存器、信号处理或多线程编程时非常有用。
如果你做过单片机开发，你肯定写过这样的代码：延时函数。就是通过循环延长CPU的时间，常见于流水灯、蜂鸣器这些对时间精度要求不高的地方，但是这样的代码却存在着很严重的缺陷，如果编译的过程中开启了优化，有些编译器会认为这几行代码是废话，什么事情也没干，在寄存器中会跳过这部分代码。
于是，在C语言中有了一个很重要的关键字volatile，它的作用是防止编译的时候被优化，在变量之前加上volatile，编译的时候即便开启最高等级的优化gcc test.c -o test -03，原代码中的编译将不再遭到优化处理。volatile在嵌入式开发中非常的重要而且常用，尤其是操作硬件或者多线程的场景。因为编译器在很多时候为了提升程序的运行效率，会跳过和优化掉一些没用的代码，或者直接从寄存器中或者缓存中读取某些变量的值，因为从寄存器或者缓存中取值速度要比内存快，如果这个变量是个共享数据，或者有可能被中断等程序修改，那么，我们读取到的数据就有可能跟内存中的数据不一致。如果在编译中发生这样的事，接下来程序执行的过程中就会导致一系列的问题。
int a = 10; // 在内存占用4个字节空间，该空间取名为a,cpu将10存入内存a空间中
int b = a; // 在内存占用4个字节空间，该空间取名为b,cpu将内存a的值取出来，保存在cpu寄存器中(寄存器a)
// 将寄存器a 赋值给 内存b空间
int c = a; // 在内存占用4个字节空间，该空间取名为c,将寄存器a 赋值给 内存c空间
int d = a; // 在内存占用4个字节空间，该空间取名为d,将寄存器a 赋值给 内存d空间
int e = a; // 在内存占用4个字节空间，该空间取名为e,将寄存器a 赋值给 内存e空间
// 假如 在int c = a的时候，不惊动cpu 去修改了内存中a的值，那么我们期望 d 和 e 的值 要和修改后a 的值 一致
// 但是 d 和 e 中依旧存入的是在 寄存器a 的值，造成 d 和 e 的值达不到我们的期望
// 更改方式：（初始化 int a 更改为 volatile）
volatile int a = 10; //防止CPU对a变量进行优化，从此以后只要用到a的值，就必须去内存中重新读取 —— 每次必须区内存中拿，不去CPU中拿
加上volatile就是告诉编译器这个变量是不稳定的，无论编译器怎么优化，每次都得从内存中去读取，
volatile的用途：
- 硬件寄存器访问：
- 直接访问：确保每次访问硬件寄存器时都使用 volatile，以避免编译器优化。因为访问硬件设备的寄存器时，寄存器的值可能会在程序之外改变。
volatile uint32_t *timer_register = (uint32_t *)0x40000000;
*timer_register = 0x01;
- 信号处理/中断处理：
- 标志变量：将中断服务程序（ISR）中使用的标志变量声明为 volatile。
- 在信号处理程序中使用的变量，因为信号可以在任何时候中断程序执行。
volatile int interrupt_flag = 0;
void ISR_Handler() {
interrupt_flag = 1;
}
- 多线程和共享变量：
- 共享状态：在多线程应用中，声明那些在不同线程间共享且不受锁保护的变量为 volatile。
- 在多线程环境中，一个线程可能会修改另一个线程正在读取的变量。
volatile bool data_ready = false;
示例：
#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>
volatile bool data_ready = false;
volatile uint32_t *adc_result = (uint32_t *)0x40001000;
void ADC_ISR() {
*adc_result = // 读取ADC值
data_ready = true;
}
int main() {
while (1) {
if (data_ready) {
// 处理ADC结果
data_ready = false;
}
}
return 0;
}
通过正确使用 volatile，可以确保嵌入式系统中硬件和软件的正确交互。
简单的说，volatile 是禁止编译器对该变量的访问进行优化（如缓存、寄存器存储），每次访问该变量时，都会从内存中读取或写入。
使用的时候需要注意的事项：
- 仅用于必要情况：不要滥用
volatile，只在有硬件交互或异步变化时使用。 - 结合同步机制：
volatile不能替代互斥锁、信号量等同步机制，需要与其他同步机制（如互斥锁、原子操作）结合使用以确保多线程安全。 - 读写原子性：
volatile不能保证读写操作的原子性，需要时使用原子操作或禁用中断。 volatile不能保证线程安全，它仅防止编译器优化。
以上。
我是一个十分热爱技术的程序员，希望这篇文章能够对您有帮助，也希望认识更多热爱程序开发的小伙伴。
感谢！
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