對嵌入式C語言中volatile的理解
一.前言
1.編譯器優化介紹：
由於記憶體訪問速度遠不及CPU處理速度，為提高機器整體效能，在硬體上引入硬體快取記憶體Cache，加速對記憶體的訪問。另外在現代CPU中指令的執行並不一定嚴格按照順序執行，沒有相關性的指令可以亂序執行，以充分利用CPU的指令流水線，提高執行速度。以上是硬體級別的優化。再看軟體一級的優化：一種是在編寫程式碼時由程式設計師優化，另一種是由編譯器進行優化。編譯器優化常用的方法有：將記憶體變數快取到暫存器；調整指令順序充分利用CPU指令流水線，常見的是重新排序讀寫指令。對常規記憶體進行優化的時候，這些優化是透明的，而且效率很好。由編譯器優化或者硬體重新排序引起的問題的解決辦法是在從硬體（或者其他處理器）的角度看必須以特定順序執行的操作之間設定記憶體屏障（memory barrier），linux 提供了一個巨集解決編譯器的執行順序問題。
void Barrier(void)
這個函式通知編譯器插入一個記憶體屏障，但對硬體無效，編譯後的程式碼會把當前CPU暫存器中的所有修改過的數值存入記憶體，需要這些資料的時候再重新從記憶體中讀出。
2.volatile總是與優化有關，編譯器有一種技術叫做資料流分析，分析程式中的變數在哪裡賦值、在哪裡使用、在哪裡失效，分析結果可以用於常量合併，常量傳播等優化，進一步可以消除一些程式碼。但有時這些優化不是程式所需要的，這時可以用volatile關鍵字禁止做這些優化。
二.volatile詳解：
1.volatile的本意是“易變的” 因為訪問暫存器要比訪問記憶體單元快的多,所以編譯器一般都會作減少存取記憶體的優化，但有可能會讀髒資料。當要求使用volatile宣告變數值的時候，系統總是重新從它所在的記憶體讀取資料
2.看兩個事例：
1>告訴compiler不能做任何優化
比如要往某一地址送兩指令：
int *ip =...; //裝置地址
*ip = 1; //第一個指令
*ip = 2; //第二個指令
以上程式compiler可能做優化而成：
int *ip = ...;
*ip = 2;
結果第一個指令丟失。如果用volatile, compiler就不允許做任何的優化，從而保證程式的原意：
volatile int *ip = ...;
*ip = 1;
*ip = 2;
即使你要compiler做優化，它也不會把兩次付值語句間化為一。它只能做其它的優化。
2>用volatile定義的變數會在程式外被改變,每次都必須從記憶體中讀取，而不能重複使用放在cache或暫存器中的備份。
例如：
volatile char a;
a=0;
while(!a){
//do some things;
}
doother();
如果沒有 volatiledoother()不會被執行
3.下面是使用volatile變數的幾個場景：
1>中斷服務程式中修改的供其它程式檢測的變數需要加volatile；
例如:
static int i=0;
int main(void)
{
...
while (1){
if (i) dosomething();
}
｝
/* Interrupt service routine. */
void ISR_2(void)
{
i=1;
}
程式的本意是希望ISR_2中斷產生時，在main函式中呼叫dosomething函式，但是，由於編譯器判斷在main函式裡面沒有修改過i，因此可能只執行一次對從i到某暫存器的讀操作，然後每次if判斷都只使用這個暫存器裡面的“i副本”，導致dosomething永遠也不會被呼叫。如果將變數加上volatile修飾，則編譯器保證對此變數的讀寫操作都不會被優化（肯定執行）。此例中i也應該如此說明。
2>多工環境下各任務間共享的標誌應該加volatile
3>儲存器對映的硬體暫存器通常也要加voliate，因為每次對它的讀寫都可能有不同意義。
例如：
假設要對一個裝置進行初始化，此裝置的某一個暫存器為0xff800000。
int *output = (unsigned int *)0xff800000;//定義一個IO埠；
int init(void)
{
int i;
for(i=0;i< 10;i++){
*output = i;
}
}
經過編譯器優化後，編譯器認為前面迴圈半天都是廢話，對最後的結果毫無影響，因為最終只是將output這個指標賦值為9，所以編譯器最後給你編譯編譯的程式碼結果相當於：
int init(void)
{
*output = 9;
}
如果你對此外部裝置進行初始化的過程是必須是像上面程式碼一樣順序的對其賦值，顯然優化過程並不能達到目的。反之如果你不是對此埠反覆寫操作，而是反覆讀操作，其結果是一樣的，編譯器在優化後，也許你的程式碼對此地址的讀操作只做了一次。然而從程式碼角度看是沒有任何問題的。這時候就該使用volatile通知編譯器這個變數是一個不穩定的，在遇到此變數時候不要優化。
例如：
volatile int *output=(volatile unsigned int *)0xff800000;//定義一個I/O埠
另外，以上這幾種情況經常還要同時考慮資料的完整性（相互關聯的幾個標誌讀了一半被打斷了重寫），在1中可以通過關中斷來實現，2中禁止任務排程，3中則只能依靠硬體的良好設計。
4.幾個問題
1)一個引數既可以是const還可以是volatile嗎？
可以的，例如只讀的狀態暫存器。它是volatile因為它可能被意想不到地改變。它是const因為程式不應該試圖去修改它。
2) 一個指標可以是volatile 嗎？
可以，當一箇中服務子程式修該一個指向一個buffer的指標時。
5.volatile的本質：
1> 編譯器的優化
在本次執行緒內, 當讀取一個變數時，為提高存取速度，編譯器優化時有時會先把變數讀取到一個暫存器中；以後，再取變數值時，就直接從暫存器中取值；當變數值在本執行緒裡改變時，會同時把變數的新值copy到該暫存器中，以便保持一致。
當變數在因別的執行緒等而改變了值，該暫存器的值不會相應改變，從而造成應用程式讀取的值和實際的變數值不一致。
當該暫存器在因別的執行緒等而改變了值，原變數的值不會改變，從而造成應用程式讀取的值和實際的變數值不一致。
2>volatile應該解釋為“直接存取原始記憶體地址”比較合適，“易變的”這種解釋簡直有點誤導人。
6.下面的函式有什麼錯誤：
int square(volatile int *ptr)
{
return *ptr * *ptr;
}
該程式的目的是用來返指標*ptr指向值的平方，但是，由於*ptr指向一個volatile型引數，編譯器將產生類似下面的程式碼：
int square(volatile int *ptr)
{
int a,b;
a = *ptr;
b = *ptr;
return a * b;
}
由於*ptr的值可能被意想不到地該變，因此a和b可能是不同的。結果，這段程式碼可能返不是你所期望的平方值！正確的程式碼如下：
long square(volatile int *ptr)
{
int a;
a = *ptr;
return a * a;
}
注意：頻繁地使用volatile很可能會增加程式碼尺寸和降低效能,因此要合理的使用volatile。