实例观察 c 语言中 volatile 的作用

news2025/6/24 17:09:37

volatile 意思是易变的。

在 c 语言中，如果变量被 volatile 修饰，就是告诉编译器这个变量随时都可能发生变化，那么每次读取变量的时候都会到内存中读取。

如果变量没有被 volatile 修饰，并且编译器发现在多次读取变量之间，变量没有被修改，那么编译器可能将变量的值保存到寄存器中，这样在后边访问变量的时候性能会得到提升。但是如果变量以编译器无法识别的方式被修改，那么这个时候将变量的值保存在寄存器中就可能引入问题。

1 volatile 使用场景

（1）硬件寄存器映射的内存地址

在嵌入是开发中，cpld 或者 fpga 中的寄存器可以映射到内存地址，直接通过内存地址来访问这些寄存器。这些寄存器的值可能会因硬件原因发生改变，这种情况是编译器无法识别的，所以需要 volatile 进行修饰。

（2）中断服务程序中会修改的，并且其它线程会访问的变量，需要使用 volatile 进行修饰。

（3）多线程应用中，多个线程共享的变量，需要使用 volatile 进行修饰。

volatile 是对编译器优化的补充。

在接触 volatile 之前，总会想当然的认为读取一个变量的时候就会去内存地址中读取。其实不不然，编译器会进行优化，如果在多次读取变量之间没有发现变量被修改，编译器可能将变量的值保存到寄存器中，这样后边的读取直接从寄存器中读取。从寄存器中读取相对于从内存中读取，性能大大提升。

但是编译器优化也不是万能的，当改变变量的方式，编译器无法识别的时候，那么编译器优化会导致问题。比如上边这 3 中场景，在这些场景下使用的变量，就需要使用 volatile 进行修饰。

2 实例观察有无 volatile 的区别

如下代码中，有一个全局变量 int flag，初始值是 1。

创建了两个线程 t1 和 t2，在 t1 中有一个 while() 循环，当 flag 的值为 1 的时候，循环继续；否则循环退出，并打印 "flag is not 1"。在 t2 中，将 flag 修改成了 0。

（1）int flag 被 volatile 修饰

编译命令：

gcc -O3 volatile.c -g

编译之后运行程序，会看到当 flag 被设置为 0 之后，t1 线程中的循环退出，并且打印了 "flag is not 1"。

（2）int flag 没有被 volatile 修饰

还是使用相同的命令进行编译。

编译之后运行程序，当 flag 被设置为 0 之后，看不到 t1 线程中的循环退出。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

volatile int flag = 1;

void *thread_entry(void *data) {
  while (flag == 1) {
    int tmp = flag;
  }
  printf("flag is not 1\n");
}


void *thread_entry1(void *data) {
  int *p = (int *)data;
  *p = 0;
  printf("after set flag to 0\n");
}


int main() {
  pthread_t t1;
  pthread_create(&t1, NULL, thread_entry, NULL);

  sleep(10);
  pthread_t t2;
  pthread_create(&t2, NULL, thread_entry1, &flag);

  sleep(100);
  return 0;
}

通过上边两个实验，我们可以看出来加 volatile 和不加 volatile 的区别，与前边分析的一致。

我们通过将可执行文件进行反汇编，通过汇编指令来分析加 volatile 和不加 volatile 之间的区别。

有 volatile 修饰：

从汇编指令中可以看出来，while() 循环，在 1248 到 1257 指令之间循环执行，每次执行的时候，都会到内存中读取 flag 的值。