C语言 为什么不能把volatile变量修饰的变量传递给const修饰的参变量？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-09-08 10:42 标签： volatile变量

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最近写的关于在嵌入式开发中常遇到的关于volatile关键字使用的短文，都是些通用的技术，贴上来share。

对于volatile关键字，大部分的C语言教材都是一笔带过，并没有做太过深入的分析，所以这里简单整理了一些关于volatile的使用注意事项。实际上从语法上来看volatile和const是一样的，但是如果const用错，几乎不会有什么问题；而volatile用错，后果可能很严重。所以在volatile的使用上，建议大家还是尽量求稳，少用一些没有切实把握的技巧。

首先来看下面两个定义的区别：

这行代码里volatile修饰的是reg这个变量。所以这里实际上是定义了一个uchar类型的指针，并且这个指针变量本身是volatile 的。但是指针所指的内容并不是volatile的！在实际使用的时候，编译器对代码中指针变量reg本身的操作不会进行优化，但是对reg所指的内容 *reg却会作为non-volatile内容处理，对*reg的操作还是会被优化。通常这种写法一般用在对共享指针的声明上，即这个指针变量有可能会被中断等函数修改。将其定义为volatile以后，编译器每次取指针变量的值的时候都会从内存中载入，这样即使这个变量已经被别的程序修改了当前函数用的时候也能得到修改后的值（否则通常只在函数开始取一次放在寄存器里，以后就一直使用寄存器内的副本）。

这行代码里volatile修饰的是指针所指的内容。所以这里定义了一个uchar类型的指针，并且这个指针指向的是一个volatile的对象。但是指针变量本身并不是volatile的。如果对指针变量reg本身进行计算或者赋值等操作，是可能会被编译器优化的。但是对reg所指向的内容 *reg的引用却禁止编译器优化。因为这个指针所指的是一个volatile的对象，所以编译器必须保证对*reg的操作都不被优化。通常在驱动程序的开发中，对硬件寄存器指针的定义，都应该采用这种形式。

这样定义出来的指针就本身是个volatile的变量，又指向了volatile的数据内容。

从字面上看，volatile和const似乎是一个对象的两个对立属性，是互斥的。但是实际上，两者是有可能一起修饰同一个对象的。看看下面这行声明：

这是在RTOS系统内核中常见的一种声明：rt_clock通常是指系统时钟，它经常被时钟中断进行更新。所以它是volatile，易变的。因此在用的时候，要让编译器每次从内存里面取值。而rt_clock通常只有一个写者（时钟中断），其他地方对其的使用通常都是只读的。所以将其声明为 const，表示这里不应该修改这个变量。所以volatile和const是两个不矛盾的东西，并且一个对象同时具备这两种属性也是有实际意义的。

在上面这个例子里面，要注意声明和定义时对const的使用：

在需要读写rt_clock变量的中断处理程序里面，应该如下定义（define）此变量：

而在提供给外部用户使用的头文件里面，可以将此变量声明（declare）为：

这样是没有问题的。但是切记一定不能反过来，即定义一个const的变量：

但是却声明为非const变量：

这样万一在用户函数里面对a进行了写操作，结果是Undefined。

这里的volatile和const实际上是分别修饰了两个不同的对象：volatile修饰的是指针dvp所指的类型为struct devregs的数据结构，这个结构对应者设备的硬件寄存器，所以是易变的，不能被优化的；而后面的const修饰的是指针变量dvp。因为硬件寄存器的地址是一个常量，所以将这个指针变量定义成const的，不能被修改。

下面将列举几种对volatile的不当使用和可能导致的非预期的结果。

例：定义为volatile的结构体成员

考察下面对一个设备硬件寄存器结构类型的定义：

我们的原意是希望声明一个设备的硬件寄存器组。其中有一个16bit的CSR控制/状态寄存器，这个寄存器可以由程序向设备写入控制字，也可以由硬件设备设置反映其工作状态。另外还有一个16bit的DATA数据寄存器，这个寄存器只会由硬件来设置，由程序进行读入。

看起来，这个结构的定义没有什么问题，也相当符合实际情况。但是如果执行下面这样的代码时，会发生什么情况呢？

通过一个non-volatile的结构体指针，去访问被定义为volatile的结构体成员，编译器将如何处理？答案是：Undefined！C99 标准没有对编译器在这种情况下的行为做规定。所以编译器有可能正确地将dvp->csr作为volatile的变量来处理，使程序运行正常；也有可能就将dvp->csr作为普通的non-volatile变量来处理，在while当中优化为只有开始的时候取值一次，以后每次循环始终使用第一次取来的值而不再从硬件寄存器里读取，这样上面的代码就有可能陷入死循环！！

如果你使用一个volatile的指针来指向一个非volatile的对象。比如将一个non-volatile的结构体地址赋给一个 volatile的指针，这样对volatile指针所指结构体的使用都会被编译器认为是volatile的，即使原本那个对象没有被声明为 volatile。然而反过来，如果将一个volatile对象的地址赋给一个non-volatile的普通指针，通过这个指针访问volatile对象的结果是undefined，是危险的。

所以对于本例中的代码，我们应该修改成这样：

这样我们才能保证通过dvp指针去访问结构体成员的时候，都是作为volatile来处理的。

例：定义为volatile的结构体类型

作者的目的也许是希望定义一个volatile的结构体类型，然后顺便定义一个这样的volatile结构体变量dev1。后来又需要一个这种类型的变量，因此又定义了一个dev2。然而，第二次所定义的dev2变量实际上是non-volatile的！！因为实际上在定义结构体类型时的那个 volatile关键字，修饰的是dev1这个变量而不是struct devregs类型的结构体！！

所以这个代码应该改写成这样：

这样我们才能得到两个volatile的结构体变量。

例：多次的间接指针引用

这样的代码常用在对一些DMA设备的发送Buffer处理上。通常这些Buffer Descriptor（BD）当中的状态会由硬件进行设置以告诉软件Buffer是否完成发送或接收。但是请注意，上面的代码中对dvp->tx_bd->state的操作实际上是non-volatile的！这样的操作有可能因为编译器对其读取的优化而导致后面陷入死循环。

因为虽然dvp已经被定义为volatile的指针了，但是也只有其指向的devregs结构才属于volatile object的范围。也就是说，将dvp声明为指向volatile数据的指针可以保障其所指的volatile object之内的tx_bd这个结构体成员自身是volatile变量，但是并不能保障这个指针变量所指的数据也是volatile的（因为这个指针并没有被声明为指向volatile数据的指针）。

要让上面的代码正常工作，可以将数据结构的定义修改成这样：

这样可以保证对state成员的处理也是volatile的。不过最为稳妥和清晰的办法还是这样：

这样在代码里面能绝对保证数据结构的易变性，即使数据结构里面没有定义好也不会有关系。而且对于日后的维护也有好处：因为这样从代码里一眼就能看出哪些数据结构的访问是必须保证volatile的。

例：到底哪个volatile可能无效

就在你看过前面几个例子，感觉自己可能已经都弄明白了的时候，请看最后这个例子：

请问上面标记了①和②的两行代码，哪个是确实在访问volatile对象，而哪个又是undefined的结果？

答案是：②是volatile的，①是undefined。来看本例的数据结构示意图：

所以，看似简单的volatile关键字，用起来还是有非常多的讲究在里面的，大家一定要引起重视。

1)auto这个关键字用于声明变量的生存期为自动，即将不在任何类、结构、枚举、联合和函数中定义的变量视为全局变量，而在函数中定义的变量视为局部变量。这个关键字不怎么多写，因为所有的变量默认就是auto的。

(2)register这个关键字命令编译器尽可能的将变量存在CPU内部寄存器中而不是通过内存寻址访问以提高效率。

(3)static常见的两种用途:1>统计函数被调用的次数;

2>减少局部数组建立和赋值的开销.变量的建立和赋值是需要一定的处理器开销的，特别是数组等含有较多元素的存储类型。在一些含有较多的变量并且被经常调用的函数中，可以将一些数组声明为static类型，以减少建立或者初始化这些变量的开销.

详细说明:1>、变量会被放在程序的全局存储区中，这样可以在下一次调用的时候还可以保持原来的赋值。这一点是它与栈变量和堆变量的区别。

2>、变量用static告知编译器，自己仅仅在变量的作用范围内可见。这一点是它与全局变量的区别。

3>当static用来修饰全局变量时，它就改变了全局变量的作用域，使其不能被别的程序extern，限制在了当前文件里，但是没有改变其存放位置，还是在全局静态储存区。

使用注意:1>若全局变量仅在单个C文件中访问，则可以将这个变量修改为静态全局变量，以降低模块间的耦合度；

2>若全局变量仅由单个函数访问，则可以将这个变量改为该函数的静态局部变量，以降低模块间的耦合度；

3>设计和使用访问动态全局变量、静态全局变量、静态局部变量的函数时，需要考虑重入问题(只要输入数据相同就应产生相同的输出)。

(4)const被const修饰的东西都受到强制保护，可以预防意外的变动，能提高程序的健壮性。它可以修饰函数的参数、返回值，甚至函数的定义体。

作用:1>修饰输入参数a.对于非内部数据类型的输入参数，应该将“值传递”的方式改为“const引用传递”，目的是提高效率。例如将void Func(A a) 改为void Func(const A &a)。

b.对于内部数据类型的输入参数，不要将“值传递”的方式改为“const引用传递”。否则既达不到提高效率的目的，又降低了函数的可理解性。例如void Func(int x) 不应该改为void Func(const int &x)。

2>用const修饰函数的返回值a.如果给以“指针传递”方式的函数返回值加const修饰，那么函数返回值（即指针）的内容不能被修改，该返回值只能被赋给加const修饰的同类型指针。

b.如果函数返回值采用“值传递方式”，由于函数会把返回值复制到外部临时的存储单元中，加const修饰没有任何价值。如不要把函数int GetInt(void) 写成const int GetInt(void)。
3>const成员函数的声明中，const关键字只能放在函数声明的尾部,表示该类成员不修改对象.

(5)volatile表明某个变量的值可能在外部被改变，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。它可以适用于基础类型如：int,char,long......也适用于C的结构和C++的类。当对结构或者类对象使用volatile修饰的时候，结构或者类的所有成员都会被视为volatile.
该关键字在多线程环境下经常使用，因为在编写多线程的程序时，同一个变量可能被多个线程修改，而程序通过该变量同步各个线程。

该线程启动时将intSignal 置为2，然后循环等待直到intSignal 为1 时退出。显然intSignal的值必须在外部被改变，否则该线程不会退出。但是实际运行的时候该线程却不会退出，即使在外部将它的值改为1，看一下对应的伪汇编代码就明白了：

的本意是指：这个值可能会在当前线程外部被改变。也就是说，我们要在threadFunc中的intSignal前面加上volatile关键字，这时候，编译器知道该变量的值会在外部改变，因此每次访问该变量时会重新读取，所作的循环变为如下面伪码所示：

(6)externextern 意为“外来的”???它的作用在于告诉编译器：有这个变量，它可能不存在当前的文件中，但它肯定要存在于工程中的某一个源文件中或者一个Dll的输出中。

这些关键词都是c++基础知识，我整理了一下，希望对新学的朋友们有用：


　　这个这个关键字用于声明变量的生存期为自动，即将不在任何类、结构、枚举、联合和函数中定义的变量视为全局变量，而在函数中定义的变量视为局部变量。这个关键字不怎么多写，因为所有的变量默认就是auto的。
　　这个关键字命令编译器尽可能的将变量存在CPU内部寄存器中而不是通过内存寻址访问以提高效率。
　　　　1>统计函数被调用的次数;
　　　　2>减少局部数组建立和赋值的开销.变量的建立和赋值是需要一定的处理器开销的，特别是数组等含有较多元素的存储类型。在一些含有较多的变量并且被经常调用的函数中，可以将一些数组声明为static类型，以减少建立或者初始化这些变量的开销.
　　　　1>、变量会被放在程序的全局存储区中，这样可以在下一次调用的时候还可以保持原来的赋值。这一点是它与堆栈变量和堆变量的区别。
　　　　2>、变量用static告知编译器，自己仅仅在变量的作用范围内可见。这一点是它与全局变量的区别。
　　　　3>当static用来修饰全局变量时，它就改变了全局变量的作用域，使其不能被别的程序extern，限制在了当前文件里，但是没有改变其存放位置，还是在全局静态储存区。
　　　　1>若全局变量仅在单个C文件中访问，则可以将这个变量修改为静态全局变量，以降低模块间的耦合度；
　　　　2>若全局变量仅由单个函数访问，则可以将这个变量改为该函数的静态局部变量，以降低模块间的耦合度；
　　　　3>设计和使用访问动态全局变量、静态全局变量、静态局部变量的函数时，需要考虑重入问题(只要输入数据相同就应产生相同的输出)。

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