C语言的本质（四）：volatile限定符

前言

本节探讨一下编译器优化会对生成的指令产生什么影响，在此基础上介绍C语言的volatile限定符。首先看下面的例子。

volatile限定符

      /* 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数组，然后把这三个字节取反，依次从串口发送出去。

我们查看这段代码的反汇编结果：

            buf[0] = recv;80483b7:      0f b6 05 19 a0 04 08     movzbl 0x804a019,%eax80483be:      a2 1a a0 04 08           mov   %al,0x804a01abuf[1] = recv;80483c3:      0f b6 05 19 a0 04 08     movzbl 0x804a019,%eax80483ca:      a2 1b a0 04 08           mov   %al,0x804a01bbuf[2] = recv;80483cf:      0f b6 05 19 a0 04 08     movzbl 0x804a019,%eax80483d6:      a2 1c a0 04 08           mov   %al,0x804a01csend = ～buf[0];80483db:      0f b6 05 1a a0 04 08     movzbl 0x804a01a,%eax80483e2:      f7 d0                 not   %eax80483e4:      a2 18 a0 04 08           mov   %al,0x804a018send = ～buf[1];80483e9:      0f b6 05 1b a0 04 08     movzbl 0x804a01b,%eax80483f0:      f7 d0                 not   %eax80483f2:      a2 18 a0 04 08            mov   %al,0x804a018send = ～buf[2];80483f7:      0f b6 05 1c a0 04 08     movzbl 0x804a01c,%eax80483fe:      f7 d0                 not   %eax8048400:      a2 18 a0 04 08           mov   %al,0x804a018

movz指令把字长较短的值存到字长较长的存储单元中，存储单元的高位用0填充。

该指令可以有b（byte）、w（word）、l（long）三种后缀，分别表示单字节、两字节和四字节。

比如movzbl 0x804a019,%eax表示把地址0x804a019处的一个字节存到eax寄存器中，而eax寄存器的长度是4个字节，高3个字节用0填充，如果高3个字节采用符号扩展则应该用movsbl指令，z表示zero而s表示sign。

下一条指令mov %al,0x804a01a中的al寄存器正是eax寄存器的低字节，这条指令把eax寄存器的低字节存到地址0x804a01a处的一个字节中。

可以用不同的名字单独访问x86寄存器的低8位、次低8位、低16位或者完整的32位，以eax为例，al表示低8位，ah表示次低8位，ax表示低16位，如图18.7所示。

如果指定优化选项-O编译，反汇编的结果就不一样了：

      $ gcc main.c -g -O$ objdump -dS a.out|less...buf[0] = recv;80483b7:      0f b6 05 19 a0 04 08   movzbl 0x804a019,%eax80483be:      a2 1a a0 04 08         mov   %al,0x804a01abuf[1] = recv;80483c3:      a2 1b a0 04 08         mov   %al,0x804a01bbuf[2] = recv;80483c8:      a2 1c a0 04 08         mov   %al,0x804a01csend = ～buf[0];send = ～buf[1];send = ～buf[2];80483cd:      f7 d0                  not   %eax80483cf:      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取反然后写到内存地址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。

然而访问设备寄存器的代码这样优化就错了，因为设备寄存器通常具有以下特性：

• ● 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，而是给设备发命令，是有意义的。

用优化选项编译生成的指令明显效率更高，但使用不当会出错，为了避免编译器自作聪明，把不该优化的也优化了，程序员应该明确告诉编译器哪些内存单元的访问是不能优化的，在C语言中可以用volatile限定符修饰变量，就是告诉编译器，即使在编译时指定了优化选项，每次读这个变量仍然要老老实实从内存读取，每次写这个变量也仍然要老老实实写回内存，不能省略任何步骤。我们把代码的开头几行改成：

      /* artificial device registers */volatile unsigned char recv;volatile unsigned char send;

然后指定优化选项-O编译，查看反汇编的结果：

            buf[0] = recv;80483b7:      0f b6 0d 19 a0 04 08    movzbl 0x804a019,%ecx80483be:      88 0d 1a a0 04 08        mov   %cl,0x804a01abuf[1] = recv;80483c4:      0f b6 15 19 a0 04 08    movzbl 0x804a019,%edx80483cb:      88 15 1b a0 04 08        mov   %dl,0x804a01bbuf[2] = recv;80483d1:      0f b6 05 19 a0 04 08    movzbl 0x804a019,%eax80483d8:      a2 1c a0 04 08           mov   %al,0x804a01csend = ～buf[0];80483dd:      f7 d1                 not   %ecx80483df:      88 0d 18 a0 04 08        mov   %cl,0x804a018send = ～buf[1];80483e5:      f7 d2                 not   %edx80483e7:      88 15 18 a0 04 08        mov   %dl,0x804a018send = ～buf[2];80483ed:      f7 d0                 not   %eax80483ef:      a2 18 a0 04 08           mov   %al,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，再查看和比较反汇编的结果。

告诉编译器不不可信寄存器，给我去内存空间取值。

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参考文档。

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限定符可以防止编译器优化对设备寄存器的访问，但对于有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。

在访问内存地址时Cache对程序员是透明的，比如执行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并缓存，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做普通内存单元，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，也要配合Cache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就属于这种情况。主要的目的就是避免多个访问，出现无效和脏数据。

参考资料

《一站式学习C编程》