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1、 问题场景

在声明那些不应该被编译器优化的变量时，JNH官网一般会选择使用 volatile 关键字，否则，编译器可能会优化对该变量的访问，从而生成意外的代码，或移除预期的功能。因此，对于 volatile 关键字的使用，以及它对编译器优化的影响，都值得进行详细的了解和学习。

2、软硬件环境

1）、软件版本：MDK5.40

2）、电脑环境：Windows 10

3）、外设硬件：无

3、解决方法

1）、没有加volatile关键字时，函数的反汇编表现如图1所示：

图 1

反汇编解读：

0x0800020C F240110C MOVW r0, #0x10C

0x08000210 F2C20100 MOVT r0, #0x2000

这两句指令将变量 buffer_full 的地址加载到寄存器 r0 中，此时 r0= 0x200010C，后续方便直接从这个地址读取数据。

0x08000214 6800 LDR r0,[r0,#0x00]

这里是从 r0 存储的内存地址里 （即 buffer_full 的地址）读取值，并保存值到寄存器 r0。即读取 buffer_full 的当前值。

0x08000216 FAB0F080 CLZ r0,r0

这里是计算 r0 的前导零的数量，并把这个数量存储在 r0 中。

（CLZ 指令会从最高有效位（最左侧的位）开始计算连续的零。对于全零的值，所有 32 位都是零的，会输出 32。举例：如果执行 CLZ 前 r0=0x0000 0000，那么执行后 r0=32。如果执行 CLZ 前 r0=0x8000 0000，那么执行后 r0=0）

0x0800021A 0941 LSRS r1,r0,#5

这里是将 r0 右移 5 位后的结果存入 r1。因为此时 r0=32，即 0x0000 0020。右移 5 位后，即变成了 0x0000 0001，所以 r1 此时为 0x0000 0001

0x08000220 07C9 LSLS r1,r1,#31

这里是将 r1 左移 31 位，r1 此时就变成了 0x1000 0000， 这个值会触发程序状态寄存器自动更新一些标志位，比如这里会自动更新后面会用到的 Z 标志位，即零标志位，因为此时 r1 里的值不为 0，那么 Z 标志位就会被自动置为 0。

现在，就相当于有了一个标志位 Z 表示 buffer_full 这个变量为 0 了，后续的 BNE 其实就是判断这个 Z 标志位。

（通过 CLZ 数出前导 0 的个数，先右移 5 位，再左移 31 位后，即可通过标志位判断变量是否为全 0。）

0x0800021C F04F30FF MOV r0, #0xFFFFFFFF

这里相当于初始化代码中的 count 值，也是为了方便后续操作。

0x08000222 F1000001 ADD r0,r0,#1

这里是将 count 对应的寄存器 r0 加 1，对应循环体中执行的 count++ 操作。

0x08000226 F04F0101 MOV r1,#1

这里是将 r1 重新设置为 1，为下次循环使用。保证了下一次进入循环时，r1 是一个可控的初始值。因为下一条指令是 BNE，如果 BNE 判断变量为 0，就要跳转到 0x08000220 继续循环，而 0x08000220 地址需要执行 r1 左移 31 位，所以这里是为了循环而考虑设置的指令。

0x0800022A D1F9 BNE 0x08000220

这里是，如果 BNE 通过 Z 标志位判断出 buffer_full 为 0，则跳转回地址 0x08000220 继续循环。

2）、加了volatile关键字时，函数的反汇编表现如图2所示：

图 2

反汇编解读：

0x0800020C F240110C MOVW r1, #0x10C

0x08000210 F2C20100 MOVT r1, #0x2000

这两句指令将变量 buffer_full 的地址加载到寄存器 r1 中，此时 r1= 0x200010C，后续方便直接从这个地址读取数据。

0x08000210 F04F30FF MOV r0, #0xFFFFFFFF

这里相当于初始化代码中的 count 值，也是为了方便后续操作。

0x08000218 680A LDR r2, [r1, #0x00]

从 r1 存储的内存地址里 （即 buffer_full 的地址）读取值，并保存值到寄存器 r2。即读取 buffer_full 的当前值。

0x0800021A 3001 ADDS r0, r0, #0x01

将 count 对应的寄存器 r0 加 1，对应循环体中执行的 count++ 操作。

0x0800021C 2A00 CMP r2, #0x00

将 r2（即 buffer_full 的值）与 0 进行比较。这里比较完 2 个数值后，也会更新程序状态寄存器里的标志位，其实也是 Z 标志位，如果 2 个被比较的数值是相同的，Z 就会等于 1，Z=1 就会使下一条指令 BEQ 跳转到指定的地址，去开启新一轮的循环。

0x0800021E D0FB BEQ 0x08000218

通过判断 Z 标志位，来确定 buffer_full 是否为 0。

如果 buffer_full == 0，跳转到地址 0x08000218（重新执行循环）。

如果 buffer_full != 0，跳出循环，执行后续逻辑。

3）、比较有无关键字时的编译器行为

问 ①：很明显可以看到，图 1 中的代码，不加 volatile 时，反汇编代码其实会长一些，为什么会多出来这么多指令呢？

答 ①：其实是因为不加 volatile，编译器就会假设！！！它会假设要判断的变量值，在该函数运行时不会改变，所以就会使用更少的寄存器（2 个寄存器），更简单的位操作（即：导致代码稍微增多的原因），来实现他认为相同的判断和循环功能。而加了 volatile 以后，他就会使用 3 个寄存器和略微高级的指令，来完成判断和循环功能。

问 ②：那么为什么不加 volatile 会少用 1 个寄存器而增加一些汇编代码，加了 volatile 会多用 1 个寄存器而减少汇编代码呢？

答 ②：因为 Os 等级的优化。Os 优化等级会导致：编译器要考虑提高执行效率，因为这个 Os 优化等级他是想要在减少代码量和提高执行效率上做权衡的。

所以，判断变量是否为 0 这个操作，他能用 2 个寄存器，就用 2 个，不多占另外的寄存器，让出空闲的寄存器给更复杂的功能，提高效率。

而且他增加的指令，都是最简单的位操作，不是复杂的汇编指令，所以对于流水线的利用会更加充分，所以这里虽然相比于加了 volatile 后所增加的一点点代码(其实相比于 O0 优化等级，已经减少了汇编代码量)，但是换来了更快的执行速度，空出了更多的寄存器给接下来的功能使用，是一种非常有大局观的权衡之策。

最后，加了 volatile 后，编译器明显变得谨慎了，他很害怕，因为他知道加了 volatile 关键字的变量，是随时可能被外界更改的，他不敢再进行大量的位操作去判断变量是否为 0 了，因为很有可能在执行这些位操作时，这个变量就被别的任务更改了，他必须在获取到变量最新值时，立马执行判断，这样才能获取到正确的比较结果。

问 ③：加了 volatile 后，他本身带来的好处显现在哪里？

答 ③：图 1 中，可以看到，他第一次判断完 buffer_full 为 0 以后，就循环使用那个判断结果，根本就不再从原始的地址取数对比了。而在图 2 中，循环时，函数很明显跳回到了 LDR 指令那里，LDR 会从变量的内存地址中重新取数，确保每次使用的都是从内存中取出的最新值。