如果全局变量被中断修改，是否真的需要 volatile 修饰符？

Question

关于 volatile 变量及其使用的说法和文章很多。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发生更改时，应使用易失性。
2 - 当变量在函数的正常流程之外发生变化时，应该使用 Volatile。

第一个语句将 volatile 的使用限制为内存映射寄存器等和多线程的东西，但第二个语句实际上将中断添加到作用域中。

例如这篇文章 (http://www.barrgroup.com/Embedded-Systems/How-To/C-Volatile-Keyword) 明确指出 volatile 修饰符应该用于在中断期间更改的全局变量，并提供了以下示例：

int etx_rcvd = FALSE;

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

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

请注意如何将 rx_isr() 设置为回调，这里很方便地省略了。 因此我写了我自己的例子：

#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;
}

在 linux 上使用 gcc 编译并进行了各种级别的优化，每次循环退出时，当我按下 ctrl+c 时我看到“Done”，这意味着真正的 gcc 编译器足够聪明，不会在这里优化变量 n。

也就是说，我的问题是：
如果编译器真的可以优化中断服务程序修改的全局变量，那么：
1. 全局变量有可能被其他文件调用，为什么它有权优化全局变量？
2. 为什么示例文章和互联网上的许多其他文章指出编译器不会“注意到”中断回调函数？
3. 如何修改我的代码来完成这个？

Answer 1

因为你有一个对外部函数的函数调用，所以 while 循环每次都会检查n。但是，如果您删除这些函数调用，优化器可能会注册或取消对n 的任何检查。

前（gcc x86_64 -O3）：

volatile int n;

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

变成：

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

但是

int n;

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

变成：

        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查看。

如果有修改全局的信号处理程序，您确实应该标记该全局易失性。跳过这个你可能不会遇到麻烦，但你要么走运，要么指望优化器无法验证是否正在触及全局。

在链接时（llvm）的跨模块优化有一些变化，所以有一天优化器可能会告诉你对time 或printf 的调用不会触及文件中的全局变量。发生这种情况时，即使您有外部函数调用，缺少 volatile 关键字也可能会导致问题。

Answer 2

如果编译器真的可以优化中断服务程序修改的全局变量，那么：

1. 当全局变量可能被另一个文件调用时，为什么它首先有权优化它？

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

而且优化可能很微妙。它不像“啊，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，对于一些代码，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 volatile 导致的此类错误如何表现出来总是因情况而异。它们很难找到。

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1. 为什么示例文章和互联网上的许多其他文章指出编译器不会“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，当编译器发现您的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。
• 确保该函数得到链接，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。

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

在优化方面，嵌入式编译器传统上比 PC/桌面编译器要笨得多。它们通常质量较低，标准合规性较差。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担心质量问题。你可以卖垃圾并收取很多费用。

但即使是优秀的编译器也可能会遇到这种情况，尤其是多平台编译器，它们对中断等在“目标 x”中的具体工作方式一无所知。

因此，您会遇到这样的情况，即好的多平台编译器过于通用而无法处理此错误。同时，针对“目标 x”的糟糕、狭窄的编译器编写得太差，无法处理它，尽管它应该知道所有关于“目标 x”上的中断是如何工作的。

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1. 如何修改我的代码来实现这一点？

制作这样的全局变量volatile。