为什么这个程序中需要 volatile 关键字？

Question

相关问题已被问过很多次，但它们似乎都模糊地暗示了编译器可能进行的优化，因此我们需要使用

volatile

来避免所述优化。因此，我在这里有兴趣了解编译器会进行哪些优化，或者等效地，如果我没有在下面的代码片段中包含

volatile

，该代码片段会使用内存映射接口轮询一些键盘，那么会（或可能）出现什么问题，然后，一旦收到字符，将其发送到显示器：

/* Define register addresses. */
#define KBD_DATA (volatile char *) 0x4000
#define KBD_STATUS (volatile char *) 0x4004
#define DISP_DATA (volatile char *) 0x4008
#define DISP_STATUS (volatile char *) 0x4012

void main() {
  char ch;
  /* Transfer the characters. */ 
  while (1) {
    while ((*KBD_STATUS & 0x2) == 0); 
    ch = *KBD_DATA;
    while ((*DISP_STATUS & 0x4) == 0); 
    *DISP_DATA = ch;
  } 
}

以上内容来自 Hamacher 等人的 Computer Organization。他们写下以下内容：

请注意，KBD_STATUS 和 DISP_STATUS 指针被声明为易失性的。这是必要的，因为程序仅读取相应位置的内容。没有数据写入这些位置。优化编译器可能会删除看似没有影响的程序语句，其中包括引用内存中已读取但从未写入的位置的语句。由于内存映射的 KBD_STATUS 和 DISP_STATUS 寄存器的内容会在程序外部的影响下发生变化，因此必须告知编译器这一事实。编译器不会删除涉及指针或其他声明为易失性变量的语句。

上面的重点是我的。

重新表述我上面的问题，我不明白优化编译器如何或为什么可以删除引用 KBD_STATUS 和 DISP_STATUS 的程序语句而不改变程序的语义。也就是说，为什么编译器会删除专门涉及这两个内存位置的语句？或者是 Hamacher 等人。而是说编译器可能会选择第一次从这些内存位置read（一种说法，我知道这意味着“翻译成这样的程序集......”），然后假设这个内存位置不会改变，因此不需要生成来自这些内存位置的后续汇编读取指令？

Answer 1

他们正在总结几个案例。

1. 变量有一个初始值。如果它从未被分配，那么它实际上是一个常量，编译器可以用该初始值替换对该变量的任何引用。
2. 该变量没有初始值。在这种情况下，从变量中读取的值是不确定的，编译器可以将其视为具有任何值。因此它可以删除读取并使用一些任意值。
3. 即使它没有完全删除所有读取，当存在像您显示的那样的循环时，它可以假设该值在循环期间不会改变。所以像这样的循环

while ((*KBD_STATUS & 0x2) == 0); 

可以像以前那样编译

if ((*KBD_STATUS & 0x2) == 0) {
    while (1) ; // infinite loop
}

Answer 2

在

while ((*KBD_STATUS & 0x2) == 0);

中，程序使用

*KBD_STATUS

。这段代码没有任何改变

*KBD_STATUS

。默认情况下，C 程序中的对象不会更改，除非程序更改它。因此，如果没有

volatile

，编译器可以得出结论

*KBD_STATUS

永远不会改变，因此不需要多次从内存中读取它。因此编译器可能会优化这段代码：

if ((*KBD_STATUS & 0x2) == 0)
    while (1) {} // Loop forever.

但是，

*KBD_STATUS

可以改变。当用户输入内容时，硬件会发生变化

*KBD_STATUS

。这发生在程序代码之外。我们告诉编译器可能发生的情况的方法是将类型限定为

volatile

。

在

*DISP_DATA = ch;

中，程序中没有任何内容使用

*DISP_DATA

。默认情况下，更改程序中的对象不会导致程序外发生任何事情。并且程序中没有其他内容使用

*DISP_DATA

，因此它不会产生任何效果。因此，编译器可能会得出结论，该赋值没有执行任何操作，并将其删除。然而，改变

*DISP_DATA

会产生一些效果；它改变了显示设备。这也会发生在程序之外，因此我们使用

volatile

告诉编译器更改

*DISP_DATA

会在程序之外产生影响。