关于volatile和(*(unsigned long *)&jiffies)++(转载)

wwling2001

volatile中文的意思是易于挥发的。在C语言中，如果一个变量被声明为volatile，则说明这个变量每回都要从内存读到寄存器中，操作完以后，
再将值写回到内存中，编译器（例如gcc)并不将值cache在寄存器中。对于多线程或SMP系统，要注意使用volatile。
    int wait = TRUE;
    thread1()                        thread2()
   {                                 {
       while (wait) {                     wait = FALSE;
           sleep(1000);                   ...
       }                             }
    }
当编译器看到thread1调用sleep的时候，它认为sleep是一个外部模块的函数，不可能改变wait的值，所以它"可能"就进行代码优化，将
wait的值cache在寄存器中，以提高效率。假如另外一个线程thread2开始运行，将wait改成FALSE，如果CPU没有预测到wait变量
的依赖关系的话，thread1就会一直sleep下去。在这种情况下，volatile可以强制编译器不将wait缓存到寄存器中。注意，一般情况下，
CPU是能检测到wait被改过了，从而将寄存器刷新，但是这和CPU的体系结构有关，Linux是能支持多种体系结构的，所以经常使用
volatile。
    有网友问为什么在do_timer()函数中，有一句(*(unsigned long *)&jiffies)++，为什么不直接用jiffies++呢？   这个问题和两个原因有关：      
    * jiffiers是volatile变量      
    * CPU可能会重新排序指令      
我编了3个小程序来测试，
    jiffier1.c      
    int main()      
    {         
        unsigned long jiffiers = 777;         
        jiffiers++;         
        return 0;      
    }

     gcc -S jiffer1.c，生成的汇编为
    .file   "jiffier1.c"         
    .version        "01.01"      
    gcc2_compiled.:      
    .text         
    .align 4      
.globl main         
    .type    main,@function      
main:         
    pushl   %ebp         
    movl    %esp, %ebp         
    subl    , %esp         
    movl    7, -4(%ebp)         
    leal    -4(%ebp), %eax         
    incl    (%eax)         
    movl    , %eax         
    leave         
    ret      
.Lfe1:         
    .size    main,.Lfe1-main         
    .ident  "GCC: (GNU) 2.96 20000731 (Red Hat Linux 7.3 2.96-110)"
     从汇编中，可以看到jiffiers的值是直接在内存里加一的。
     jiffier2.c      
    int main()     
    {         
        volatile unsigned long jiffiers = 777;         
        jiffiers++;         
        return 0;     
    }
    生成的汇编为

    .file   "jiffier2.c"         
    .version        "01.01"     gcc2_compiled.:     
    .text         
    .align 4     
.globl main         
    .type    main,@function     
main:         
    pushl   %ebp         
    movl    %esp, %ebp         
    subl    , %esp         
    movl    7, -4(%ebp)         
    movl    -4(%ebp), %eax         
    incl    %eax         
    movl    %eax, -4(%ebp)         
    movl    , %eax         
    leave         
    ret     
.Lfe1:         
    .size    main,.Lfe1-main         
    .ident  "GCC: (GNU) 2.96 20000731 (Red Hat Linux 7.3 2.96-110)"

    当jiffiers被声明为volatile时，在加一之前，会先从内存中将值读到寄存器%eax中， 直接都寄存器操作，完了以后不做cache，将值写回内存。它需要3条指令才完成了加一 操作，
        movl    -4(%ebp), %eax         
        incl    %eax         
        movl    %eax, -4(%ebp)
    也就是说，jiffiers++并不是原子操作，在多处理器环境中，
问题就出来了，jiffers有可能被加了两次，内存中却只是加了1。
另外的原因是这3条指令执行的时候，可能会被重新排序，从而破坏了操作的原子性。
当然我们也可以直接调用汇编指令加一，但是do_timers函数是独立于体系结构的，
所以Linux使用的一种最简单的方法，也就是(*(unsigned long *)&jiffiers)++
来解决这些问题。
    jiffier3.c
    int main()
    {
        volatile unsigned long jiffiers = 777;
        (*(unsigned long *)&jiffiers)++;
        return 0;
    }
    生成的汇编为
    .file   "jiffier3.c"         
    .version        "01.01"   gcc2_compiled.:     
    .text         
    .align 4     
.globl main         
    .type    main,@function     
main:         
    pushl   %ebp         
    movl    %esp, %ebp         
    subl    , %esp         
    movl    7, -4(%ebp)         
    leal    -4(%ebp), %eax         
    incl    (%eax)         
    movl    , %eax         
    leave         
    ret     
.Lfe1:         .size    main,.Lfe1-main         
.ident  "GCC: (GNU) 2.96 20000731 (Red Hat Linux 7.3 2.96-110)"
可以看出来，生成的指令和jiffer1.c的一模一样，也就是说， (*(unsigned long
*)&jiffiers)++将volatile的jiffiers转换成一般的内存变量，
避免了用寄存器做cache，从而保证了jiffiers加一操作的原子性。
    Linux一开始也是直接用jiffiers++的，到后来的版本才改成(*(unsigned long *)&jiffiers)++， 可想而知写一个牢固的OS是不容易的，要解决的隐含细节非常多。     
    Good Luck, Linux!
               
               
               

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