你了解C语言中的关键字volatile吗?

理解C语言volatile关键字的应用
本文深入探讨了C语言中volatile关键字的含义及其在不同场景下的应用,特别关注其在多线程编程和内核分析中的重要性。通过具体实例解释了volatile变量的特性和优化器如何处理它们,帮助程序员在实际开发中正确使用此关键字。

       我们在学习C语言的32个关键字时,大家都不太注意volatile这个关键字,volatile是一个类型修饰符。volatile的中文意思是“易变的”。那么在程序中我们在什么情况下才使用他呢?我们在分析内核时经常看到这个关键字的使用。举例如下:

struct task_struct {
        volatile long state;    /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
        void *stack;
        atomic_t usage;
        unsigned int flags;     /* per process flags, defined below */
        unsigned int ptrace;
.......


       在应用程序中,volatile主要是被设计用来修饰被不同线程访问和修改的变量。

       volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变,因此编译器不要进行相应的优化。精确地说就是,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。

      例如:

      extern int a;//语句1  假设a是一个全局变量

     ......

      int b=a; //语句2

      int c=a;  //语句3

 

      语句2与语句3中都使用了a的值,优化器在语句3中引用a的值时,认为语句2中已经将a的值读到寄存器中了,并且在语句2与语句3之间没有对a进行修改,因此没必要再到内存中去读a的值,所以直接使用了寄存器中的值。但是如果在语句3执行前,产生了中断,中断恰好对a进行了修改。那么语句3取出来的值就有问题了。

      如果上面的全局变量a是被修饰为volatile的话,那么优化器就不能去优化语句3,要到内存中去重新取值。

 

     作为嵌入式系统程序员,volatile一定要知道如何使用。

C语言关键字是C语言中被保留的特殊单词,这些单词具有特定的含义和用途,程序员不能将其用作变量名、函数名等标识符。ANSI C标准的C语言共有32个关键字[^3]。以下为这些关键字及其相关信息: - **数据类型关键字**: - **`char`**:用于定义字符型变量,例如`char a = 'a';` ,表示一个字符变量a,其值为字符 'a' [^4]。 - **`int`**:用于定义整型变量,如`int num = 10;` ,定义了一个整型变量num,值为10。 - **`float`**:用于定义单精度浮点型变量,例如`float f = 3.14f;` 。 - **`double`**:用于定义双精度浮点型变量,如`double d = 3.14159;` 。 - **`short`**:修饰`int` 类型,可缩短整型变量所占的存储空间,如`short int s = 100;` ,通常可简写为`short s = 100;` 。 - **`long`**:修饰`int` 类型,可增加整型变量所能表示的数值范围,如`long int l = 100000L;` ,通常可简写为`long l = 100000L;` 。 - **`signed`**:用于声明有符号数,可修饰`char` 或`int` 类型,默认情况下`char` 和`int` 为有符号类型,所以`signed` 常可省略。 - **`unsigned`**:用于声明无符号数,修饰`char` 或`int` 类型,如`unsigned int u = 255;` 。 - **`struct`**:用于定义结构体类型,结构体是一种可以包含不同数据类型成员的复合数据类型,例如: ```c struct Person { char name[20]; int age; }; ``` - **`union`**:用于定义共用体类型,共用体的所有成员共享同一块内存空间,例如: ```c union Data { int i; float f; }; ``` - **`enum`**:用于定义枚举类型,枚举类型是一种用户自定义的数据类型,它包含一组命名的整数常量,例如: ```c enum Color { RED, GREEN, BLUE }; ``` - **`void`**:表示空类型,常用于函数返回值类型(表示函数不返回任何值)、函数参数列表(表示函数不接受任何参数)或指针类型(表示通用指针类型),如`void func(void);` 。 - **控制语句关键字**: - **`if`**:用于构成选择语句,根据条件判断是否执行某段代码块,例如: ```c if (num > 10) { printf("num is greater than 10.\n"); } ``` - **`else`**:与`if` 语句配合使用,当`if` 条件不满足时执行`else` 后面的代码块,例如: ```c if (num > 10) { printf("num is greater than 10.\n"); } else { printf("num is less than or equal to 10.\n"); } ``` - **`switch`**:用于构成多分支选择语句,根据表达式的值跳转到相应的`case` 分支执行,例如: ```c switch (day) { case 1: printf("Monday\n"); break; case 2: printf("Tuesday\n"); break; default: printf("Invalid day\n"); } ``` - **`case`**:用于`switch` 语句中,指定每个分支的匹配值。 - **`break`**:在`switch` 语句中用于跳出`switch` 结构;在循环语句中用于跳出最内层循环,例如: ```c for (int i = 0; i < 10; i++) { if (i == 5) { break; } printf("%d\n", i); } ``` - **`default`**:在`switch` 语句中,当所有`case` 分支都不匹配时,执行`default` 后面的代码块。 - **`for`**:用于构成循环语句,常用于已知循环次数的情况,例如: ```c for (int i = 0; i < 10; i++) { printf("%d\n", i); } ``` - **`do`**:与`while` 一起构成`do-while` 循环语句,`do-while` 循环至少会执行一次循环体,例如: ```c do { printf("Enter a number greater than 10: "); scanf("%d", &num); } while (num <= 10); ``` - **`while`**:用于构成循环语句,先判断条件,条件为真时执行循环体,例如: ```c while (num > 0) { printf("%d\n", num); num--; } ``` - **`continue`**:在循环语句中使用,用于跳过本次循环中剩余的代码,直接进入下一次循环,例如: ```c for (int i = 0; i < 10; i++) { if (i % 2 == 0) { continue; } printf("%d\n", i); } ``` - **`goto`**:无条件转移语句,可使程序跳转到指定的标签处继续执行,不过由于`goto` 语句会破坏程序的结构化,应谨慎使用,例如: ```c start: printf("This is the start.\n"); if (condition) { goto end; } // 其他代码 end: printf("This is the end.\n"); ``` - **`return`**:用于函数返回,将函数的执行结果返回给调用者,同时结束函数的执行,例如: ```c int add(int a, int b) { return a + b; } ``` - **存储类型关键字**: - **`auto`**:用于声明自动变量,自动变量是函数内部定义的局部变量,默认情况下,函数内部定义的变量都是自动变量,所以`auto` 关键字通常可省略,例如`auto int x = 10;` 可写成`int x = 10;` 。 - **`register`**:用于声明寄存器变量,建议编译器将变量存储在寄存器中,以提高访问速度,但现代编译器会自动进行优化,所以`register` 关键字的实际作用有限,例如`register int count = 0;` 。 - **`static`**:用于声明静态变量,静态变量在程序的整个生命周期内都存在,且只会初始化一次。在函数内部使用`static` 修饰的变量,其值在函数调用结束后不会丢失,例如: ```c void func() { static int num = 0; num++; printf("%d\n", num); } ``` - **`extern`**:用于声明外部变量或函数,表示该变量或函数在其他文件中定义,在当前文件中只是引用,例如: ```c // file1.c int global_num = 10; // file2.c extern int global_num; ``` - **其他关键字**: - **`const`**:用于声明常量,被`const` 修饰的变量一旦初始化后,其值不能再被修改,例如`const int MAX = 100;` 。 - **`volatile`**:用于告诉编译器该变量的值可能会以意想不到的方式被改变(如硬件设备修改),因此编译器在每次访问该变量时都会从内存中读取其值,而不会进行优化,例如`volatile int status = 0;` 。 - **`sizeof`**:是一个运算符,用于计算数据类型或变量所占的字节数,常被初学者误认为是函数,例如`int size = sizeof(int);` 。 - **`typedef`**:用于为已有的数据类型定义一个新的名称,提高代码的可读性和可维护性,例如: ```c typedef int Integer; Integer num = 10; ```
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