Dzisiaj omówię element składni języka C, który jest rzadko tłumaczony większości kursów. W książce K&R został wspomniany zaledwie w trzech zdaniach, które zupełnie nie sugerowały, że może on być ważny. Chodzi o modyfikator volatile. Jego nieprawidłowe stosowanie może powodować:

• Błędne działanie programu po włączeniu optymalizacji.
• Błędne działanie programów wykorzystujących przerwania lub współbieżność.
• Problemy z obsługą sterowników sprzętu.
• Problemy z wydajnością programu.

Definicja

Modyfikator volatile dodany do zmiennej jest informacją dla kompilatora, że jej zawartość może się zmienić w nieznanych momentach nawet jeśli kod danej funkcji jej nie zmienia. Konsekwencją jest niestosowanie optymalizacji dla zmiennej volatile. Oznacza to, że kompilator przy każdym użyciu odczytuje jej wartość z pamięci zamiast przechowywać ją w rejestrze jeśli wykonuje na niej kilka operacji. Poza tym kompilator nie zmienia kolejności działań wykonywanych przy użyciu tej zmiennej. Skutek zastosowania modyfikatora volatile został fajnie przedstawiony na anglojęzycznej wikipedii, gdzie porównano wynikowy kod asemblerowy dla tego samego programu z wykorzystaniem volatile i bez – link.

Składnia modyfikatora volatile

Zmienną volatile można deklarować na dwa równorzędne sposoby:

volatile uint32_t var;
uint32_t volatile var;

Moim zdaniem pierwszy sposób, kiedy modyfikatory są przed typem zmiennej, jest bardziej czytelny. Modyfikatora volatile możemy użyć również przy deklaracji wskaźników:

volatile uint8_t * ptr1;
uint8_t * volatile ptr2;
volatile uint8_t * volatile ptr3;

Wskaźnik ptr1 zawiera adres do danych volatile. Oznacza to, że sam wskaźnik jest traktowany przez kompilator normalnie, ale wartość, na którą wskazuje jest traktowana jako volatile. Przy wskaźniku ptr2 sytuacja jest odwrotna – dane spod wskaźnika są traktowane standardowo, natomiast sam wskaźnik może się zmienić w nieoczekiwanym momencie. Wskaźnik ptr3 to połączenie obu wcześniejszych przypadków. Deklaracje wskaźników takie jak ptr2 i ptr3 są w praktyce wykorzystywane bardzo rzadko.

Typy złożone

Jak volatile działa z typami złożonymi? Używając volatile ze strukturami możemy zarówno deklarować całe struktury jako volatile, jak i pojedyncze elementy:

struct s_1
{
   uint32_t field1;
   uint32_t field2;
   volatile 32_t field3;
}

struct s_1 var1;
volatile struct s_1 var2;

W zmiennej var1 tylko field3 jest volatile, w var2 – wszystkie elementy. Jeżeli chodzi o unie, to zmienna o typie będącym unią również może być volatile, natomiast deklarowanie pojedynczych pól unii jako volatile nie ma sensu. Jeśli fizyczna pamięć może być nadpisana w nieoczekiwanym momencie, to taka właściwość będzie się tyczyć wszystkich typów z unii.

Funkcje

Jeżeli chodzi o użycie volatile w deklaracjach funkcji, to użycie modyfikatora volatile ma sens jedynie ze wskaźnikami. Przyczyną jest fakt, że przekazywanie argumentów oraz zwracanie wartości przez funkcje odbywa się przez kopię. Jeżeli funkcja oczekuje wskaźnika na daną volatile, możemy do niej przekazać również zwykły wskaźnik. Zostanie on wtedy potraktowany jako volatile i wykonają się dodatkowe instrukcje, które w tym konkretnym przypadku nie są konieczne – czyli nie stanie się nic złego. Jeśli natomiast podamy wskaźnik volatile do funkcji oczekującej zwykłego wskaźnika, funkcja ta nie będzie wiedziała, że musi potraktować ten argument w szczególny sposób, co może być przyczyną błędów. W przypadku próby przekazania takiego argumentu kompilator powinien zgłosić warning. Nie powinno się również rzutować danych volatile na zwykłe typy.

Łączenie z innymi modyfikatorami

Mimo, że na pierwszy rzut oka wydaje się to dziwne, poniższe deklaracje są poprawne i mają sens:

const volatile uint32_t *ptr1;
const volatile uint32_t var1;

Modyfikator const mówi, że nie możemy zmieniać wartości zmiennej, natomiast volatile, że wartość może się zmieniać w nieoczekiwanych momentach. Te dwie rzeczy nie stoją ze sobą w sprzeczności. To, że my z poziomu danej funkcji nie możemy zmodyfikować wartości, nie oznacza, że nie może ona być zmieniona gdzie indziej. Wskaźnik ptr1 może być na przykład rejestrem sprzętowym tylko do odczytu. Natomiast zmienna var1 może znajdować się w pamięci współdzielonej przez dwa procesory, gdzie tylko jeden może zmieniać jej wartość.

Zastosowanie modyfikatora volatile

Modyfikator volatile najczęściej stosowany jest w trzech przypadkach:

1. Do interakcji ze sprzętem.
2. Do przekazywania informacji pomiędzy przerwaniami a pętlą główną programu.
3. Do przekazywania informacji między kontekstami w środowisku wielowątkowym (takie zastosowanie nie jest zalecane).

Jeżeli przyjrzymy się bibliotekom procesorów dostarczanym przez producentów mikrokontrolerów, zobaczymy, że wszystkie rejestry procesora są zadeklarowane jako wskaźniki do zmiennych typu volatile. Ta technika nosi nazwę memory mapping i dzięki niej w kodzie programu jesteśmy w stanie zareagować np. na zmianę wartości pinu, czy ustawienie flagi.

Innym przykładem zastosowania volatile przy interakcji ze sprzętem jest wykorzystanie DMA. Jeśli przekażemy jakiś adres pamięci do DMA, jego zawartość może się zmienić i nie mamy wpływu na to, kiedy to nastąpi. Nie możemy nawet obronić się przed zapisem do tej pamięci za pomocą wyłączenia przerwań. Dlatego bufory przekazywane do DMA powinny być deklarowane jako volatile. Chyba, że zaimplementujemy mechanizm zapewniający, że pamięć nie jest jednocześnie używana przez DMA i program.

Prawie każdy podczas nauki programowania mikrokontrolerów napisał program wykorzystujący zmienną globalną w pętli głównej i przerwaniu, uruchomił go i okazało się, że nie działa. Dla większości jest to pierwszy moment, kiedy dowiadujemy się o istnieniu takiego tworu jak volatile i konsekwencjach jakie niesie jego pominięcie. Zmienna wykorzystywana przez przerwanie i pętlę główną musi być zadeklarowana jako volatile. W każdym momencie wykonywania pętli głównej może przyjść przerwanie, które zmodyfikuje wartość zmiennej.

Jeśli chodzi o trzecie zastosowanie modyfikatora volatile, czyli wielowątkowość, jest on używany do deklaracji zmiennych współdzielonych przez różne wątki. W każdym momencie wykonywania danego wątku może nastąpić zmiana kontekstu i wywołanie drugiego wątku korzystającego z tej zmiennej. Mechanizm działania jest tu podobny jak w przypadku przerwań. Warto w tym miejscu podkreślić, że użycie volatile do komunikacji między wątkami nie jest najlepszym rozwiązaniem. Jeśli to możliwe, lepiej używać mutexów, semaforów, kolejek i innych mechanizmów komunikacji i synchronizacji między wątkami, które zapewniają większe bezpieczeństwo i lepszą wydajność. Problemy z volatile przy współbierzności spowodowały falę krytyki w społeczności związanej z Linuxem,  o czym piszę dalej.

Kopiowanie danych volatile

Jeżeli mamy bufor volatile i chcemy skopiować jego zawartość, nie możemy mieć pewności co do integralności danych. W końcu zmienna volatile może zmienić swoją wartość w losowym momencie, czyli także w środku kopiowania. Skutkiem tego może być skopiowanie części starych i części nowych danych. Aby się przed tym zabezpieczyć, musimy na czas kopiowania wyłączyć źródło niespodziewanych zmian, czyli np. wyłączyć przerwania. Nie zawsze coś takiego jest możliwe np. nie wyłączymy zmian na portach wejściowych procesora.

Volatile considered harmful

W internecie można znaleźć dużo głosów krytyki wobec używania modyfikatora volatile w kodzie. Najbardziej rozpoznawalnym przeciwnikiem jego używania jest Linus Torvalds, któremu nieraz zdarzało się ostro zjechać autorów patchy do Linuxa wykorzystujących volatile. Powstał nawet dokument „Volatile considered harmful”. Ktoś niedoświadczony po przeczytaniu takich opinii głoszonych przez osobę będącą autorytetem, może wziąć to do siebie i przestać w ogóle stosować volatile. Należy jednak mieć na uwadze, że argumenty przeciwko volatile odnoszą się do wykorzystania w Linuxie i ogólnie w nowoczesnych systemach wielowątkowych, gdzie nie ma takich interakcji z hardware jak w systemach embedded oraz istnieją lepsze mechanizmy radzenia sobie z problemami, które rozwiązuje volatile – głównie dotyczącymi współbieżności.

Podsumowanie

Modyfikator volatile jest ważnym elementem składni języka C szeroko wykorzystywanym w systemach embedded. Jednocześnie jest bardzo często pomijany podczas nauki programowania, co prowadzi do braku umiejętności jego poprawnego użycia i powstawania różnych mitów. Błędne użycie volatile często może pozostać niezauważone, ponieważ program jest kompilowany bez optymalizacji. Efektem jest zwalanie winy za błędne działanie programu na „zbugowany kompilator”, który „gubi się przy optymalizacji”. Ze względu na pogorszenie wydajności użycie volatile jest często krytykowane. Należy mieć na uwadze, że ta krytyka nie jest kierowana do programistów embedded.