如果全局变量被中断修改,真的需要volatile修饰符吗？

Question

有很多关于易变量及其用途的说和写.在这些文章中,可以找到两个略有不同的想法:

1 - 当变量在编译程序之外被更改时,应该使用Volatile.
2 - 当变量在函数的正常流量之外变化时,应使用Volatile.

第一个语句限制了对内存映射寄存器等的易失性使用和多线程的东西,但第二个实际上将中断添加到范围中.

例如,本文(http://www.barrgroup.com/Embedded-Systems/How-To/C-Volatile-Keyword)明确指出volatile修饰符应该用于中断期间更改的全局变量,并提供此示例:

int etx_rcvd = FALSE;

void main() 
{
    ... 
    while (!ext_rcvd) 
    {
        // Wait
    } 
    ...
}

interrupt void rx_isr(void) 
{
    ... 
    if (ETX == rx_char) 
    {
    etx_rcvd = TRUE;
    } 
    ...
}

注意如何在这里方便地省略设置rx_isr()作为回调.因此我写了自己的例子:

#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <signal.h>

void f();

int n = 0;

void main() 
{
    signal(2,f);
    time_t tLastCalled = 0;
    printf("Entering the loop\n");
    while (n == 0) 
    {
        if (time(NULL) - tLastCalled > 1)
        {
            printf("Still here...\n");
            tLastCalled = time(NULL);
        }
    }
    printf ("Done\n");
}

void f() 
{
    n = 1;
}

用linux上的gcc编译并进行各种优化级别,每次循环退出时我都按下ctrl + c看到"完成",这意味着真正的gcc编译器足够聪明,不能在这里优化变量n.

也就是说,我的问题是:
如果编译器可以真正优化由中断服务例程修改的全局变量,那么:
1.为什么它可以在可能从另一个文件调用时首先优先考虑全局变量？
2.为什么互联网上的示例文章和许多其他文章表明编译器不会"注意到"中断回调函数？
3.如何修改代码来完成此操作？

Answer 1

因为您有一个函数调用外部函数,所以while循环n每次都会检查.但是,如果删除这些函数调用,优化程序可能会注册或取消任何检查n.

Ex(gcc x86_64 -O3):

volatile int n;

int main() {
    while(n==0) {}
    return 0;
}

变为:

.L3:
        movl    n(%rip), %eax
        testl   %eax, %eax
        je      .L3
        xorl    %eax, %eax
        ret

但

int n;

int main() {
    while(n==0) {}
    return 0;
}

变为:

        movl    n(%rip), %eax
        testl   %eax, %eax
        jne     .L2
.L3:
        jmp     .L3

在这种情况下,n永远不会在无限循环中看到.

如果有一个修改全局的信号处理程序,你真的应该标记全局volatile.你跳过这个可能不会遇到麻烦,但是你要么运气好,要么指望优化者无法验证全局是否被触及.

在链接时(llvm),交叉模块优化中存在一些移动,因此有一天优化器可能能够告诉您调用time或printf不接触文件中的全局变量.发生这种情况时,即使您有外部函数调用,错过volatile关键字也可能会导致问题.

Answer 2

如果编译器确实可以优化中断服务程序修改的全局变量，那么：

1. 当可以从另一个文件调用全局变量时，为什么它首先有权优化全局变量？

这里的关键是，在一个“正常”、没有中断的单线程程序中，全局变量不能随时修改。无论哪个文件进行访问，对变量的所有访问都以可预测的方式排序。

而且优化可能是微妙的。它并不像“好吧，这个全局似乎没有被使用，让我们完全删除它”那么简单。相反，对于某些代码，例如

while(global) 
{ 
  do_stuff(global); 
} 

优化器可能会创建如下行为：

register tmp = global;
loop:
  do_stuff(tmp);
goto loop;

这完全改变了程序的含义。由于缺乏 易失性而导致的此类错误本身的表现总是因具体情况而异。它们很难找到。

2. 为什么示例文章和互联网上的许多其他文章都指出编译器不会“注意到”中断回调函数？

因为嵌入式编译器在这方面传统上是愚蠢的。传统上，当编译器发现非标准中断关键字时，它只会做两件事：

• 从该函数生成特定的返回代码，因为与常规函数调用相比，中断通常具有不同的调用约定。
• 确保该函数被链接，即使它从未从程序中调用。可能分配在单独的内存段中。这实际上是由链接器而不是编译器完成的。

现在可能有更智能的编译器。PC/桌面编译器在处理回调函数/线程时面临着同样的问题，但它们通常足够聪明，能够意识到它们不应该假设与回调共享的全局变量有关的事情。

在优化方面，传统上嵌入式编译器比 PC/桌面编译器要笨得多。它们通常质量较低，标准合规性也较差。如果您是支持特定目标的少数编译器供应商之一，或者可能是唯一的供应商，那么缺乏竞争意味着您不必太担心质量。你可以卖垃圾并收取很多费用。

但即使是好的编译器也可能会遇到这种情况，特别是那些不知道中断等如何在“目标x”中具体工作的多平台编译器。

因此，您可能会遇到这样的情况：良好的多平台编译器过于通用，无法处理此错误。与此同时，“目标 x”的糟糕、狭窄的编译器编写得太差，无法处理它，即使它应该知道中断如何在“目标 x”上工作。

3. 我如何修改我的代码来实现此目的？

制作这样的全局变量volatile。