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volatile的重要性對(duì)于搞嵌入式的程序員來說是不言而喻的，對(duì)于volatile的了解程度常常被不少公司在招聘嵌入式編程人員面試的時(shí)候作為衡量一個(gè)應(yīng)聘者是否合格的參考標(biāo)準(zhǔn)之一，為什么volatile如此的重要呢?這是因?yàn)榍度胧降木幊倘藛T要經(jīng)常同中斷、底層硬件等打交道，而這些都用到volatile，所以說嵌入式程序員必須要掌握好volatile的使用。 其實(shí)就象讀者所熟悉的const一樣，volatile是一個(gè)類型修飾符。在開始講解volatile之前我們先來講解下接下來要用到的一個(gè)函數(shù)，知道如何使用該函數(shù)的讀者可以跳過該函數(shù)的講解部分。 原型：int gettimeofday ( struct timeval * tv , struct timezone * tz ); 頭文件：#include 功能：獲取當(dāng)前時(shí)間 返回值：如果成功返回0，失敗返回-1，錯(cuò)誤代碼存于errno中。 gettimeofday()會(huì)把目前的時(shí)間用tv所指的結(jié)構(gòu)返回，當(dāng)?shù)貢r(shí)區(qū)的信息則放到tz所指的結(jié)構(gòu)中。 [cpp] view plaincopytimeval結(jié)構(gòu)定義為: struct timeval{ long tv_sec; long tv_usec; }; timezone 結(jié)構(gòu)定義為: struct timezone{ int tz_minuteswest; int tz_dsttime; }; 先來說說timeval結(jié)構(gòu)體，其中的tv_sec存放的是秒，而tv_usec存放的是微秒。其中的timezone成員變量我們很少使用，在此簡單的說說它在gettimeofday()函數(shù)中的作用是把當(dāng)?shù)貢r(shí)區(qū)的信息則放到tz所指的結(jié)構(gòu)中，在其中tz_minuteswest變量里存放的是和Greenwich 時(shí)間差了多少分鐘，tz_dsttime日光節(jié)約時(shí)間的狀態(tài)。我們在此主要的是關(guān)注前一個(gè)成員變量timeval，后一個(gè)我們在此不使用，所以使用gettimeofday()函數(shù)的時(shí)候我們把有一個(gè)參數(shù)設(shè)定為NULL，下面先來看看一段簡單的代碼。 [cpp] view plaincopy#include #include int main(int argc, char * argv[]) { struct timeval start,end; gettimeofday( &start, NULL ); /*測試起始時(shí)間*/ double timeuse; int j; for(j=0;j ; gettimeofday( &end, NULL ); /*測試終止時(shí)間*/ timeuse = 1000000 * ( end.tv_sec - start.tv_sec ) + end.tv_sec - start.tv_sec ; timeuse /= 1000000; printf("運(yùn)行時(shí)間為：%f\n",timeuse); return 0; } 運(yùn)行結(jié)果為： [cpp] view plaincopyroot@ubuntu:/home# ./p 運(yùn)行時(shí)間為：0.002736 現(xiàn)在來簡單的分析下代碼，通過end.tv_sec - start.tv_sec 我們得到了終止時(shí)間跟起始時(shí)間以秒為單位的時(shí)間間隔，然后使用end.tv_sec - start.tv_sec 得到終止時(shí)間跟起始時(shí)間以微妙為單位的時(shí)間間隔。因?yàn)闀r(shí)間單位的原因，所以我們在此對(duì)于( end.tv_sec - start.tv_sec ) 得到的結(jié)果乘以1000000轉(zhuǎn)換為微秒進(jìn)行計(jì)算，之后再使用timeuse /= 1000000;將其轉(zhuǎn)換為秒�，F(xiàn)在了解了如何通過gettimeofday()函數(shù)來測試start到end代碼之間的運(yùn)行時(shí)間，那么我們現(xiàn)在接下來看看volatile修飾符。 通常在代碼中我們?yōu)榱朔乐挂粋�(gè)變量在意想不到的情況下被改變，我們會(huì)將變量定義為volatile，這從而就使得編譯器就不會(huì)自作主張的去“動(dòng)”這個(gè)變量的值了。準(zhǔn)確點(diǎn)說就是每次在用到這個(gè)變量時(shí)必須每次都重新從內(nèi)存中直接讀取這個(gè)變量的值，而不是使用保存在寄存器里的備份。 在舉例之前我們先大概的說下Debug和Release 模式下編譯方式的區(qū)別，Debug 通常稱為調(diào)試版本，它包含調(diào)試信息，并且不作任何優(yōu)化，便于程序員調(diào)試程序。Release 稱為發(fā)布版本，它往往是進(jìn)行了各種優(yōu)化，使得程序在代碼大小和運(yùn)行速度上都是最優(yōu)的，以便用戶很好地使用。大致的知道了Debug和Release的區(qū)別之后，我們下面來看看一段代碼。 [cpp] view plaincopy#include void main() { int a=12; printf("a的值為:%d\n",a); __asm {mov dword ptr [ebp-4], 0h} int b = a; printf("b的值為:%d\n",b); } 先分析下上面的代碼，我們使用了一句__asm {mov dword ptr [ebp-4], 0h}來修改變量a在內(nèi)存中的值，如果有對(duì)這句代碼功能不清楚的讀者可以參考我之前的一篇《C語言的那些小秘密之堆棧》，在此就不做過多的講解了。前面已經(jīng)講解了Debug和Release 編譯方式的區(qū)別，那么我們現(xiàn)在來對(duì)比看下結(jié)果。注：使用vc6編譯運(yùn)行，如無特殊說明，均在linux環(huán)境下編譯運(yùn)行。讀者自己在編譯的時(shí)候別忘了選擇編譯運(yùn)行的模式。 使用Debug模式的結(jié)果為： [cpp] view plaincopya的值為:12 b的值為:0 Press any key to continue 使用Release模式的結(jié)果為： [cpp] view plaincopya的值為:12 b的值為:12 Press any key to continue 看看上面的運(yùn)行結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)在Release模式進(jìn)行了優(yōu)化之后b的值為了12，但是使用Debug模式的時(shí)候b的值為0。為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況呢?我們先不說答案，再來看看下面一段代碼。注：使用vc6編譯運(yùn)行 [cpp] view plaincopy#include void main() { int volatile a=12; printf("a的值為:%d\n",a); __asm {mov dword ptr [ebp-4], 0h} int b = a; printf("b的值為:%d\n",b); } 使用Debug模式的結(jié)果為： [cpp] view plaincopya的值為:12 b的值為:0 Press any key to continue 使用Release模式的結(jié)果為： [cpp] view plaincopya的值為:12 b的值為:0 Press any key to continue 我們發(fā)現(xiàn)這種情況下不管使用Debug模式還是Release模式都是一樣的結(jié)果�，F(xiàn)在我們就來分析下，在此之前我們先說了Debug和Release 模式下編譯方式的區(qū)別。 先分析上一段代碼，由于在Debug模式下我們并沒有對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，所以對(duì)于在代碼中每次使用a值得時(shí)候都是從它的內(nèi)存地址直接讀取的，所以在我們使用了__asm {mov dword ptr [ebp-4], 0h}語句改變了a的值之后，接下來使用a值的時(shí)候從內(nèi)存中直接讀取，所以得到的是更新后的a值;但是當(dāng)我們在Release模式下運(yùn)行的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)b的值為a之前的值，而不是我們更新后的a值，這是由于編譯器在優(yōu)化的過程中做了優(yōu)化處理。編譯器發(fā)現(xiàn)在對(duì)a賦值之后沒有再次改變a的值，所以編譯器把a(bǔ)的值備份在了一個(gè)寄存器中，在之后的操作中我們再次使用a值的時(shí)候就直接操作這個(gè)寄存器，而不去讀取a的內(nèi)存地址，因?yàn)樽x取寄存器的速度要快于直接讀取內(nèi)存的速度。這就使得了讀到的a值為之前的12。而不是更新后的0。 第二段代碼中我們使用了一個(gè)volatile修飾符，這種情況下不管在什么模式下都得到的是更新后的a的值，因?yàn)関olatile修飾符的作用就是告訴編譯器不要對(duì)它所修飾的變量進(jìn)行任何的優(yōu)化，每次取值都要直接從內(nèi)存地址得到。從這兒我們可以看出，對(duì)于我們代碼中的那些易變量，我們最好使用volatile修飾，以此來得到每次對(duì)其進(jìn)行更新后的值。為了加深下大家的印象我們再來看看下面一段代碼。 [cpp] view plaincopy#include #include int main(int argc, char * argv[]) { struct timeval start,end; gettimeofday( &start, NULL ); /*測試起始時(shí)間*/ double timeuse; int j; for(j=0;j ; gettimeofday( &end, NULL ); /*測試終止時(shí)間*/ timeuse = 1000000 * ( end.tv_sec - start.tv_sec ) + end.tv_usec -start.tv_usec; timeuse /= 1000000; printf("運(yùn)行時(shí)間為：%f\n",timeuse); return 0; } 與之前我們測試時(shí)間的代碼一樣，我們只是增大了for()循環(huán)的次數(shù)。 先來看看我們不使用優(yōu)化的結(jié)果： [cpp] view plaincopyroot@ubuntu:/home# gcc time.c -o p root@ubuntu:/home# ./p 運(yùn)行時(shí)間為：0.028260 使用了優(yōu)化的運(yùn)行結(jié)果： [cpp] view plaincopyroot@ubuntu:/home# gcc -o p time.c -O2 root@ubuntu:/home# ./p 運(yùn)行時(shí)間為：0.000001 從結(jié)果顯然可以看出差距如此之大，但是如果我們在上面的代碼中修改一下int j為int volatile j之后再來看看如下代碼： [cpp] view plaincopy#include #include int main(int argc, char * argv[]) { struct timeval start,end; gettimeofday( &start, NULL ); /*測試起始時(shí)間*/ double timeuse; int volatile j; for(j=0;j ; gettimeofday( &end, NULL ); /*測試終止時(shí)間*/ timeuse = 1000000 * ( end.tv_sec - start.tv_sec ) + end.tv_usec -start.tv_usec; timeuse /= 1000000; printf("運(yùn)行時(shí)間為：%f\n",timeuse); return 0; } 先來看看我們不使用優(yōu)化的運(yùn)行結(jié)果為： [cpp] view plaincopyroot@ubuntu:/home# gcc time.c -o p root@ubuntu:/home# ./p 運(yùn)行時(shí)間為：0.027647 使用了優(yōu)化的運(yùn)行結(jié)果為： [cpp] view plaincopyroot@ubuntu:/home# gcc -o p time.c -O2 root@ubuntu:/home# ./p 運(yùn)行時(shí)間為：0.027390 我們發(fā)現(xiàn)此時(shí)此刻不管是否使用優(yōu)化語句運(yùn)行，時(shí)間幾乎沒有變化，只是有微小的差異，這微小的差異是由于計(jì)算機(jī)本身所導(dǎo)致的。所以我們通過對(duì)于上面一個(gè)沒有使用volatile和下面一個(gè)使用了volatile的對(duì)比結(jié)果可知，使用了volatile的變量在使用優(yōu)化語句是for()循環(huán)并沒有得到優(yōu)化，因?yàn)閒or()循環(huán)執(zhí)行的是一個(gè)空操作，那么通常情況下使用了優(yōu)化語句使得這個(gè)for()循環(huán)被優(yōu)化掉，根本就不執(zhí)行。就好比編譯器在編譯的過程中將i的值設(shè)置為大于或者等于10000000的一個(gè)數(shù)，使得for()循環(huán)語句不會(huì)執(zhí)行。但是由于我們使用了volatile，使得編譯器就不會(huì)自作主張的去動(dòng)我們的i值，所以循環(huán)體得到了執(zhí)行。舉這個(gè)例子的原因是要讓讀者牢記，如果我們定義了volatile變量，那么它就不會(huì)被編譯器所優(yōu)化。 當(dāng)然volatile還有那些值得注意的地方呢?由于訪問寄存器的速度要快過直接訪問內(nèi)存的速度，所以編譯器一般都會(huì)作減少對(duì)于內(nèi)存的訪問，但是如果將變量加上volatile修飾，則編譯器保證對(duì)此變量的讀寫操作都不會(huì)被優(yōu)化。這樣說可能有些抽象了，再看看下面的代碼，在此就簡要的寫出幾步了。 main() { int i=o; while(i==0) { …… } } 分析以上代碼，如果我們沒有在while循環(huán)體結(jié)構(gòu)里面改變i的值，編譯器在編譯的過程中就會(huì)將i的值備份到一個(gè)寄存器中，每次執(zhí)行判斷語句時(shí)就從該寄存器取值，那么這將是一個(gè)死循環(huán)，但是如果我們做如下的修改： main() { int volatile i=o; while(i==0) { …… } } 我們在i的前面加上了一個(gè)volatile，假設(shè)while()循環(huán)體里面執(zhí)行的是跟上一個(gè)完全一樣的操作，但是這個(gè)時(shí)候就不能說是一個(gè)死循環(huán)了，因?yàn)榫幾g器不會(huì)再對(duì)我們的i值進(jìn)行"備份"操作了，每次執(zhí)行判斷的時(shí)候都會(huì)直接從i的內(nèi)存地址中讀取，一旦其值發(fā)生變化就退出循環(huán)體。 最后給出一點(diǎn)就是在實(shí)際使用中volatile的使用的場合大致有以下幾點(diǎn)： 1、中斷服務(wù)程序中修改的供其它程序檢測的變量需要加volatile; 2、多任務(wù)環(huán)境下各任務(wù)間共享的標(biāo)志應(yīng)該加volatile; 3、存儲(chǔ)器映射的硬件寄存器通常也要加volatile說明，因?yàn)槊看螌?duì)它的讀寫都可能有不同意義。 對(duì)于volatile的講解我們到此就結(jié)束了。由于本人水平有限，博客中的不妥或錯(cuò)誤之處在所難免，殷切希望讀者批評(píng)指正。同時(shí)也歡迎讀者共同探討相關(guān)的內(nèi)容，如果樂意交流的話請(qǐng)留下你寶貴的意見。 |
