/* artificial device registers */
unsigned char recv;
unsigned char send;
/* memory buffer */
unsigned char buf[3];
int main(void)
{
buf[0] = recv;
buf[1] = recv;
buf[2] = recv;
send = ~buf[0];
send = ~buf[1];
send = ~buf[2];
return 0;
}
我们用recv和send这两个全局变量来模拟设备寄存器。假设某种平台采用内存映射I/O，串口发 送寄存器和串口接收寄存器位于固定的内存地址，而recv和send这两个全局变量也有固定的内 存地址，所以在这个例子中把它们假想成串口接收寄存器和串口发送寄存器。在main函数中， 首先从串口接收三个字节存到buf中，然后把这三个字节取反，依次从串口发送出去（实际的串口设备通常有一些标志位指示是否有数据到达以及是否可以发送下一个字节的数据，通常要先查询这些标志位再做读写操作，在这个例子中我们抓主要矛盾，忽略这些细节）。我们查看这段代码的反汇编结果：
buf[0] = recv;
80483a2: 0f b6 05 19 a0 04 08 movzbl 0x804a019,%eax
80483a9: a2 1a a0 04 08 mov %al,0x804a01a
buf[1] = recv;
80483ae: 0f b6 05 19 a0 04 08 movzbl 0x804a019,%eax
80483b5: a2 1b a0 04 08 mov %al,0x804a01b
buf[2] = recv;
80483ba: 0f b6 05 19 a0 04 08 movzbl 0x804a019,%eax
80483c1: a2 1c a0 04 08 mov %al,0x804a01c
send = ~buf[0];
80483c6: 0f b6 05 1a a0 04 08 movzbl 0x804a01a,%eax
80483cd: f7 d0 not %eax
80483cf: a2 18 a0 04 08 mov %al,0x804a018
send = ~buf[1];
80483d4: 0f b6 05 1b a0 04 08 movzbl 0x804a01b,%eax
80483db: f7 d0 not %eax
80483dd: a2 18 a0 04 08 mov %al,0x804a018
send = ~buf[2];
80483e2: 0f b6 05 1c a0 04 08 movzbl 0x804a01c,%eax
80483e9: f7 d0 not %eax
80483eb: a2 18 a0 04 08 mov %al, 0x804a018|
$ gcc main.c -g -O $ objdump -dS a.out|less ... buf[0] = recv; 80483ae: 0f b6 05 19 a0 04 08 movzbl 0x804a019,%eax 80483b5: a2 1a a0 04 08 mov %al,0x804a01a buf[1] = recv; 80483ba: a2 1b a0 04 08 mov %al,0x804a01b buf[2] = recv; 80483bf: a2 1c a0 04 08 mov %al,0x804a01c send = ~buf[0]; send = ~buf[1]; send = ~buf[2]; 80483c4: f7 d0 not %eax 80483c6: a2 18 a0 04 08 mov %al,0x804a018 ... |
前三条语句从串口接收三个字节，而编译生成的指令显然不符合我们的意图：只有第一条语句 从内存地址0x804a019读一个字节到寄存器eax中，然后从寄存器al保存到buf[0]，后两条语句 就不再从内存地址0x804a019读取，而是直接把寄存器al的值保存到buf[1]和buf[2]。后三条语 句把buf中的三个字节取反再发送到串口，编译生成的指令也不符合我们的意图：只有最后一条 语句把eax的值取反写到内存地址0x804a018了，前两条语句形同虚设，根本不生成指令。
为什么编译器优化的结果会错呢？因为编译器并不知道0x804a018和0x804a019是设备寄存器 的地址，把它们当成普通的内存单元了。如果是普通的内存单元，只要程序不去改写它，它就 不会变，可以先把内存单元里的值读到寄存器缓存起来，以后每次用到这个值就直接从寄存器 读取，这样效率更高，我们知道读寄存器远比读内存要快。另一方面，如果对一个普通的内存 单元连续做三次写操作，只有最后一次的值会保存到内存单元中，所以前两次写操作是多余 的，可以优化掉。访问设备寄存器的代码这样优化就错了，因为设备寄存器往往具有以下特性：
- 设备寄存器中的数据不需要改写就可以自己发生变化，每次读上来的值都可能不一样。
- 连续多次向设备寄存器中写数据并不是在做无用功，而是有特殊意义的。
/* artificial device registers */
volatile unsigned char recv;
volatile unsigned char send;
|
buf[0] = recv; 80483a2: 0f b6 05 19 a0 04 08 movzbl 0x804a019,%eax 80483a9: a2 1a a0 04 08 mov %al,0x804a01a buf[1] = recv; 80483ae: 0f b6 15 19 a0 04 08 movzbl 0x804a019,%edx 80483b5: 88 15 1b a0 04 08 mov %dl,0x804a01b buf[2] = recv; 80483bb: 0f b6 0d 19 a0 04 08 movzbl 0x804a019,%ecx 80483c2: 88 0d 1c a0 04 08 mov %cl,0x804a01c send = ~buf[0]; 80483c8: f7 d0 not %eax 80483ca: a2 18 a0 04 08 mov %al,0x804a018 send = ~buf[1]; 80483cf: f7 d2 not %edx 80483d1: 88 15 18 a0 04 08 mov %dl,0x804a018 send = ~buf[2]; 80483d7: f7 d1 not %ecx 80483d9: 88 0d 18 a0 04 08 mov %cl,0x804a018 |
确实每次读recv都从内存地址0x804a019读取，每次写send也都写到内存地址0x804a018了。 值得注意的是，每次写send并不需要取出buf中的值，而是取出先前缓存在寄存 器eax、edx、ecx中的值，做取反运算然后写下去，这是因为buf并没有用volatile限定，读者 可以试着在buf的定义前面也加上volatile，再优化编译，再查看反汇编的结果。
gcc的编译优化选项有-O0、-O、-O1、-O2、-O3、-Os几种。-O0表示不优化，这是缺省的选 项。-O1、-O2和-O3这几个选项一个比一个优化得更多，编译时间也更长。-O和-O1相同。-Os表 示为缩小目标文件的尺寸而优化。具体每种选项做了哪些优化请参考gcc(1)的Man Page。
从上面的例子还可以看到，如果在编译时指定了优化选项，源代码和生成指令的次序可能无法 对应，甚至有些源代码可能不对应任何指令，被彻底优化掉了。这一点在用gdb做源码级调试时 尤其需要注意（做指令级调试没关系），在为调试而编译时不要指定优化选项，否则可能无法 一步步跟踪源代码的执行过程。
有了volatile限定符，是可以防止编译器优化对设备寄存器的访问，但是对于有Cache的平台， 仅仅这样还不够，还是无法防止Cache优化对设备寄存器的访问。在访问普通的内存单元 时，Cache对程序员是透明的，比如执行了movzbl 0x804a019,%eax这样一条指令，我们并不知 道eax的值是真的从内存地址0x804a019读到的，还是从Cache中读到的，如果Cache已经缓存 了这个地址的数据就从Cache读，如果Cache没有缓存就从内存读，这些步骤都是硬件自动做 的，而不是用指令控制Cache去做的，程序员写的指令中只有寄存器、内存地址，而没 有Cache，程序员甚至不需要知道Cache的存在。同样道理，如果执行了mov %al,0x804a01a这 样一条指令，我们并不知道寄存器的值是真的写回内存了，还是只写到了Cache中，以后再 由Cache写回内存，即使只写到了Cache中而暂时没有写回内存，下次读0x804a01a这个地址时 仍然可以从Cache中读到上次写的数据。然而，在读写设备寄存器时Cache的存在就不容忽视 了，如果串口发送和接收寄存器的内存地址被Cache缓存了会有什么问题呢？如下图所示。
串口发送和接收寄存器被Cache缓存会有什么问题
如果串口发送寄存器的地址被Cahce缓存，CPU执行单元对串口发送寄存器做写操作都写 到Cache中去了，串口发送寄存器并没有及时得到数据，也就不能及时发送，CPU执行单元先 后发出的1、2、3三个字节都会写到Cache中的同一个单元，最后Cache中只保存了第3个字 节，如果这时Cache把数据写回到串口发送寄存器，只能把第3个字节发送出去，前两个字节就 丢失了。与此类似，如果串口接收寄存器的地址被Cache缓存，CPU执行单元在读第1个字节 时，Cache会从串口接收寄存器读上来缓存，然而串口接收寄存器后面收到的2、3两个字
节Cache并不知道，因为Cache把串口接收寄存器当作普通内存单元，并且相信内存单元中的数 据是不会自己变的，以后每次读串口接收寄存器时，Cache都会把缓存的第1个字节提供 给CPU执行单元。
通常，有Cache的平台都有办法对某一段地址范围禁用Cache，一般是在页表中设置的，可以设 定哪些页面允许Cache缓存，哪些页面不允许Cache缓存，MMU不仅要做地址转换和访问权限 检查，也要和Cache协同工作。
除了设备寄存器需要用volatile限定之外，当一个全局变量被同一进程中的多个控制流程访问 时也要用volatile限定，比如信号处理函数和多线程。
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