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2022年12月15日 | 单片机volatile关键字的作用
2022-12-15 来源：zhihu
最近有些想伙伴问在单片机c语言编程时volatile这个关键词怎么理解？有什么作用？
Volatile是C语言的一个关键字，在stm8和stm32的固件库里也会经常看见这个关键字的使用。
如果真的想理解透彻，可能要追溯到编译器优化机制和cpu访问变量的原理。
这个可能需要花很多时间去研究，并不是很划算，我一直强调学习也要把控好投产比，也就是你投入研究的时间要和回报成正比。
很明显，对于一个开发者来说并不需要深入研究编译器优化代码的机制，至少我这么多年没深入研究过，也不影响我做产品。
很熟悉和只了解，同样都能实现功能，所花的时间成本却是天差地别的。
所以，我们只需要知道有编译器优化的概念，和cpu访问变量的原理就够了。
重点是记住volatile这个关键词的使用场景，什么时候必须要用!
一. CPU访问变量
1. 给变量赋值
我们看上图代码。
代码第一行定义了一个全局变量a，第6行把a赋值为1。
程序在执行的时候，首先会把1这个值赋值给cpu的寄存器里（比如R0-R7），然后再把寄存器里面这个1赋值到&a这个内存地址里。
这是给变量赋值的过程。
2. 读变量的值
代码第一行定义了两个全局变量a和b，第12行把变量a的值赋值给b。
程序在执行的时候，会先把a这个内存地址的值(也就是1)取出来先存到寄存器里，然后再把寄存器里的值存储到变量b的内存地址里。
这是读取变量值的过程。
二.编译器优化
1.上面程序执行过程有什么缺点？
我们可以再看一下上面那个代码，是不是觉得程序执行过程中第16行(&a内存地址->寄存器)的操作有点多余？
因为a的值已经存在寄存器里了，直接把寄存器的值存到变量b的内存地址里不就行了？
为什么还要重新从a的内存地址里重新取值到寄存器？有种脱裤子放屁的感觉对吧？
2.为什么要优化？
你能想到的，大聪明编译器肯定也能想到。
一般访问寄存器要比访问内存(RAM)的效率高。
所以，编译器也是基于这些规律特点，对我们写好的代码进行优化。
我们常用的开发工具Keil可以对优化等级进行设置，比如说Keil这个开发工具可以设置优化等级。
具体这几个优化等级有啥区别，大家可以自行百度下。
经过编译器代码优化以后，为了执行效率更高，执行这段程序的流程就会被优化。
最终程序执行可能就直接把寄存器的值赋值给变量b这个内存地址了，而不是重新从变量a的内存地址里读取到寄存器，这样效率就提高了。
编译器优化原则之一：减少对内存访问的次数，因为从内存里读写数据效率比较低。
三.volatile到底有什么用？用在什么场合？
如果这样被优化掉，会不会出现问题？哪些情况下会出现问题？
答案是有可能会，比如以下几种情况：
1.在执行b=a之前，发生中断，中断里把a的值改了
假设程序执行到第12行，发生了一个定时器4中断，中断里a=2了。
这个时候b=a，大家猜结果等于多少？是不是还是等于1？
而实际上a=2了，这个时候程序就会产生一些不可预知的错误。
所以，如果你有全局变量，会在中断里去改变它的值，最好用volatile关键字修饰下。
2.带RTOS的情况下
相信大家都知道，实时操作系统任务之间是可以根据任务优先级打断的。
如上图，假设Task2任务优先级比Task1优先级高，说明Task2是可以随时打断Task1的。
假设Task1执行到12行，Task2任务就绪开始执行了，然后把a=2，执行完又回到Task1的第14行继续执行，这样b=a，大家猜猜结果等于多少？是不是还是等于1？
实际上a=2了，这个时候程序也会产生一些不可预知的错误。
所以，如果你程序加了RTOS，并且多个任务共享一个全局变量时，最好也用volatile关键词修饰下。
3.变量读取单片机寄存器值时
USART1->DR是STM32单片机串口1的数据寄存器，当有串口数据发送和接收的时候，数据都会在这个寄存器里。
USART1->DR里面的数据可能会一直会变化的。
假设cpu执行到上图程序第9-13行时，USART1->DR发生改变，那a和b的值肯定也不相等。
所以，如果你有变量是读取寄存器的值，最好也用volatile关键词修饰下。
四.最后总结
简单来说，volatile就是告诉编译器编译时不要过渡优化，以便告诉cpu，当你执行到这个变量的时候，记得重新从内存里去读，以保证读出来的值是最新的。
一般以下使用场景需要用：
1.中断里会改变全局变量的值
2.多任务共享同一全局变量
3.变量读单片机寄存器值
史海拾趣
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