C语言细节 - volatile的重要性

一个程序通常有两个版本

Debug ：称为调试版本，它包含调试信息，并且不作任何优化，便于调试和发现问题；
Release ：称为发布版本，它按照设定的优化等级进行优化，优化代码空间提高运行速度；

这里不谈论Debug版本，来看看Release版本：以我最熟的keil开发环境为例

此处Optimization（优化等级）正是设置release版本下编译器的优化等级，其默认设置为-O0，这也是为什么我之前在程序中很少使用volatile，但运行不出错的一个原因；下面调整优化等级，看一看区别所在

case1：关闭编译优化，结果如下

case2：优化等级为2级，结果如下

以上对比发现，两种情况的代码量和各种类型数据量均有所不同，这就是编译器优化的结果
补充上述截图中的信息(坑-待填)：
Code：
RO-data：
RW-data：
ZI-data:

编译器为什么要优化

很多时候，一些变量的值在运行过程中可能是不变的，若编译器不做优化，每次访问这个变量时都会从内存读出数据，不仅效率低，而且代码量会比较大

编译器优化方式

1：硬件优化
因内存速度限制，CPU访问内存的速度远不及CPU处理速度，但CPU访问寄存器的速度比访问内存的速度要快得多，为提高机器整体性能，在硬件上引入高速缓存Cache，优化对内存的访问，提高效率
2：软件优化
编译器会将它认为不变的量保存在高速缓存cache中，以后CPU需要访问该变量时，就直接在缓存中读取，当数据被更改后，便将其存放在缓存中，但主存中变量的值却未被更新

软件优化带来的一些问题

case1：如下：该程序等待flag标志在中断函数中发生改变，使led闪烁
若编译器进行了优化，将flag变量值存储到cache，但中断服务函数改变的是主存中flag的值，cache中的值并未被改变，为了提高速度，CPU访问的一直是cache中的值，这样程序就达不到我们的目的

int flag=0;

int main()
{
    init();
    
    while(flag)
        led_switch();
    
    return 0;
}

/* interrupt function */
void IRQn(void)
{
    flag = 1;
}

case2：利用for循环语句进行延时，若程序进行优化，编译器会认为for循环没用，删除for循环

case3：一些寄存器的值（如状态寄存器）可能通过硬件来改变主存中的值，若进行优化，则CPU会认为其值一直未变

typedef struct
{
  __IO uint32_t MODER;    /*!< GPIO port mode register,               Address offset: 0x00      */
  __IO uint32_t OTYPER;   /*!< GPIO port output type register,        Address offset: 0x04      */
  __IO uint32_t OSPEEDR;  /*!< GPIO port output speed register,       Address offset: 0x08      */
  __IO uint32_t PUPDR;    /*!< GPIO port pull-up/pull-down register,  Address offset: 0x0C      */
  __IO uint32_t IDR;      /*!< GPIO port input data register,         Address offset: 0x10      */
  __IO uint32_t ODR;      /*!< GPIO port output data register,        Address offset: 0x14      */
  __IO uint16_t BSRRL;    /*!< GPIO port bit set/reset low register,  Address offset: 0x18      */
  __IO uint16_t BSRRH;    /*!< GPIO port bit set/reset high register, Address offset: 0x1A      */
  __IO uint32_t LCKR;     /*!< GPIO port configuration lock register, Address offset: 0x1C      */
  __IO uint32_t AFR[2];   /*!< GPIO alternate function registers,     Address offset: 0x20-0x24 */
} GPIO_TypeDef;

随便打开一个寄存器的定义你会发现，在变量名前面都有__IO修饰，那__IO是什么呢？其实就是volatile关键字

#ifdef __cplusplus
  #define   __I     volatile             /*!< Defines 'read only' permissions                 */
#else
  #define   __I     volatile const       /*!< Defines 'read only' permissions                 */
#endif
#define     __O     volatile             /*!< Defines 'write only' permissions                */
#define     __IO    volatile             /*!< Defines 'read / write' permissions              */

case4：在一些机器上，会进行如下情况1的配置，若进行了优化，那么编译器会认为变量第一次赋值是无意义的，直接优化为情况2

//情况1
void set_regester(int val)
{
	*p_register1 = 1;
	*p_register2 = 0;
	*p_register2 = val;
	*p_register1 = 0;
}
//情况2
void set_regester(int val)
{
	*p_register2 = val;
	*p_register1 = 0;
}

volatile到底有什么用

编译器对变量进行优化，将变量值存入cache中，如果中断，其他的线程或一些硬件将主存中变量的值改变了，但CPU却不知道，还一味地使用cache中的值。
为了避免这种情况的发生，将变量用volatile关键字进行修饰，让编译器不进行优化，这样一碰到volatile变量，cpu就直接从主存读取数据，这样，该变量就只有一个地方可以访问，数据就不会出现不同步的现象了；
另外volatile会改变编译结果，告诉编译器变量是易变的，不要进行优化，防止出现上面case2和case4的情况

如何观察优化现象

不管编译器怎么优化，最终都会在汇编层面得到体现，如果发现汇编代码始终使用寄存器的副本，那么就可以判定优化级别太高了

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