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c语言内嵌汇编代码之volatile究竟何时用

jiezi

在阅读本文之前，请先阅读 gcc 的相关文档，确保对如何在 c 中使用汇编语言有个基本的认识。

文档地址为：

https://gcc.gnu.org/onlinedoc…

  • basic asm 以及没有 output operands 的 extended asm 默认就是 volatile 的，所以它们不用显式指定 volatile。
  • volatile 的最终目的是为了防止 gcc 的某些错误优化，所以它只需要用在那些可能发生错误优化的地方，滥用 volatile 会导致本应该优化的代码无法优化，最终导致性能损耗。
  • gcc 如果发现 asm 语句的 output operands 在 c 语言中没有被使用，则优化后的代码可能会直接移除该语句。
  • gcc 如果认为一个 c 函数中的多条相同的 asm 语句的 output operands 结果相同，则可能会只保留其中一条 asm 语句，在该 c 函数使用到这条 asm 语句 output operands 的地方，统一用相同的结果（比如，如果 asm 语句在循环中，则会提到循环外，如果 asm 语句在一个 c 函数中被顺序执行，则只保留第一条 asm 语句，删除后面的 asm 语句）。
  • 上面两个优化场景就是 gcc 可能发生错误优化的地方，这些地方要注意是否要使用 volatile。
  • volatile 无法保证多条 asm 语句在优化前后顺序相同，如果要保证顺序，可以把多条 asm 语句中的汇编代码都写到一个 asm 语句里。

下面用示例讲解下相关概念：

#include <assert.h>
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>

void do_check(uint32_t dwSomeValue) {
  uint32_t dwRes;
  asm("bsfl %1,%0" : "=r"(dwRes) : "r"(dwSomeValue) : "cc");
  assert(dwRes == 3);
}

int main(int argc, char *argv[]) {do_check(8); }

编译后再以汇编形式查看 do_check 方法：

$ gcc -O3 main.c && objdump --disassemble=do_check a.out
0000000000001190 <do_check>:
    1190:  0f bc ff               bsf    %edi,%edi
    1193:  83 ff 03               cmp    $0x3,%edi
    1196:  75 01                  jne    1199 <do_check+0x9>
    1198:  c3                     retq
    1199:  50                     push   %rax
    119a:  e8 c1 ff ff ff         callq  1160 <do_check.part.0>

由于 assert 宏中使用了 asm 语句中的输出参数 dwRes，所以即使 asm 语句没有指定 volatile，do_check 方法也是在正常执行的。

下面看下把 assert 方法去掉之后的 do_check 汇编代码：

$ gcc -O3 -D NDEBUG main.c && objdump --disassemble=do_check a.out
0000000000001130 <do_check>:
    1130:  c3                     retq

由上可见，因为我们在执行 gcc 时加了 -D NDEBUG 参数，定义了 NDEBUG 宏，所以上面的 assert 宏最终会变为空指令。

也就是说，do_check 方法中没有任何地方在使用 asm 语句中的输出参数 dwRes，所以 gcc 就会在优化后的代码中删除掉该 asm 语句，所以上面的 do_check 方法最终变成了空方法。

那我们将上面的 asm 语句加上 volatile 再试下：

void do_check(uint32_t dwSomeValue) {
  uint32_t dwRes;
  asm volatile("bsfl %1,%0" : "=r"(dwRes) : "r"(dwSomeValue) : "cc");
  assert(dwRes == 3);
}

编译后再以汇编形式查看 do_check 方法：

$ gcc -O3 -D NDEBUG main.c && objdump --disassemble=do_check a.out
0000000000001130 <do_check>:
    1130:  0f bc ff               bsf    %edi,%edi
    1133:  c3                     retq

由上可以看到，这次即使指定了 -D NDEBUG 参数，使 assert 宏变成了空操作，导致 do_check 方法中没有任何地方使用 dwRes 变量，但由于 volatile 的存在，该 asm 语句还是没有被优化掉。

通过上面的例子，我们就可以看到 volatile 是如何防止 gcc 优化代码的，但是在上面的例子中，该优化是一个正确的优化，所以不应该加 volatile。

如果有其他的 asm 语句，虽然它的输出参数没有被使用，但也不应该被优化掉，这个时候就应该使用 volatile 了。

希望对你有所帮助。

完。

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