C-keele navigaator – Kõige võimsam ressurss süsteemiarenduseks

Mis on volatile C keeles? Täielik juhend manussüsteemide ja mitmelõimelise programmeerimise jaoks

C-keele sissejuhatus
佐川 直弘 | Naohiro Sagawa
By 佐川 直弘 | Naohiro Sagawa (運営者)
※記事内に広告を含みます。Amazonアソシエイトとして適格販売により収入を得ています。　
目次

1. Mis on volatile C keeles?

volatile on märksõna C keeles, millega antakse kompilaatorile teada, et konkreetset muutujat tuleb käsitleda eriliselt. Tavaliselt optimeerib kompilaator koodi, et parandada programmi tõhusust, kuid volatile käsib kompilaatoril teatud optimeerimist mitte teha. Miks sellist asja vaja on? Selleks, et käsitleda muutujaid, mille väärtus võib muutuda väliste tegurite tõttu.

Näiteks muutujad, mis saavad andmeid riistvaraandurilt või mida võivad muuta teised lõimed mitmelõimelises keskkonnas. Kui selliste muutujate puhul tehakse optimeerimist, võivad tekkida ootamatud vead või käitumine. Seepärast kasutatakse volatile-märksõna, et öelda: “Palun loe selle muutuja väärtus iga kord otse mälust!”

Muide, kui tõlkida volatile sõna otseses mõttes “lendab ära” või “aurustuv”, siis võib see tunduda naljakas – justkui muutuja kaoks ära. Tegelikult on aga eesmärk tagada, et iga kord loetakse korrektne ja värske väärtus.

2. volatile eesmärgi mõistmine

volatile märksõna eesmärk on tagada, et juhul kui muutuja väärtust võib muuta mõni väline protsess – näiteks riistvara või mõni muu süsteem – siis neid muudatusi ei jääks kompilaator märkamata. Näiteks andurid või riistvararegistrid võivad uuendada oma väärtusi igal kordusetsüklil.

Tavaliselt võib kompilaator optimeerimise käigus eeldada, et tsükli sees muutumatu muutuja väärtust võib vahemällu salvestada. Kuid kui kasutatakse volatile, siis kästakse kompilaatoril lugeda muutuja väärtust iga kord otse mälust.

volatile int sensor_value;
while (1) {
    // Tagab, et anduri väärtus loetakse iga kord õigesti
    printf("Sensor value: %dn", sensor_value);
}

Selles näites võib ilma volatile-ta juhtuda, et kompilaator salvestab sensor_value vahemällu ja prindib iga kord sama väärtuse. volatile märkimisega tagatakse, et iga kord loetakse anduri kõige värskem väärtus.

年収訴求

3. volatile roll manussüsteemides

volatile mängib eriti olulist rolli manussüsteemides. Manussüsteemides jälgitakse sageli otse riistvara olekut või suheldakse andurite ja täiturseadmetega, mistõttu on hädavajalik käsitleda muutujaid, mille väärtused muutuvad reaalajas, õigesti ja täpselt.

Näiteks muutujad, mida kasutatakse riistvararegistrites või katkestusteenuse rutiinides (ISR – Interrupt Service Routines), muudetakse sageli väljaspool programmi tavapärast juhtvoogu. Kui selliseid muutujaid ei märgita volatile-ga, võib kompilaator neid vahemällu salvestada ja ei pruugi peegeldada riistvara tegelikku hetkeseisu.

volatile int interrupt_flag;

void interrupt_handler() {
    interrupt_flag = 1;  // Seab lipu katkestuse tekkimisel
}

int main() {
    while (!interrupt_flag) {
        // Ootab, kuni lipp on seatud
    }
    printf("Interrupt occurred!n");
    return 0;
}

4. volatile kasutamine mitmelõimelises keskkonnas

Ka mitmelõimelistes programmides võib volatile olla kasulik. Siiski tuleb tähele panna, et volatile ei taga lõimedevahelist sünkroniseerimist. See märksõna lihtsalt takistab muutuja väärtuse vahemällu salvestamist, kuid ei taga lõimede turvalist (thread-safe) käitumist ega atomaarseid operatsioone.

volatile sobib näiteks jagatud lippude (flag) muutujate puhul, mida lõimed omavahel jagavad. Keerulisemateks sünkroniseerimisvajadusteks tuleb siiski kasutada muid mehhanisme, nagu mutexid või semaforid.

volatile int shared_flag = 0;

void thread1() {
    // Lõim 1 muudab lippu
    shared_flag = 1;
}

void thread2() {
    // Lõim 2 jälgib lipu muutust
    while (!shared_flag) {
        // Ootab, kuni lipp on seatud
    }
    printf("Flag detected!n");
}

5. Levinud valearusaamad volatile kohta

volatile kasutamise kohta leidub palju valearusaamu. Üks levinumaid on usk, et volatile abil saab lõimedevahelist sünkroniseerimist saavutada. Tegelikult volatile ei taga sünkroniseerimist ega välista samaaegset juurdepääsu – see ei paku mutual exclusion (vastastikust välistamist).

Samuti on oluline mõista, et volatile ei peata kõiki kompilaatori optimeerimisi. Näiteks inkrement- ja dekrementoperatsioonid volatile muutujatel ei ole atomaarse iseloomuga. See tähendab, et mitmelõimelises keskkonnas võivad sellised operatsioonid põhjustada ootamatut käitumist või võistlusseisundeid (race conditions).

volatile int counter = 0;

void increment_counter() {
    counter++;  // See operatsioon ei ole atomaarne!
}

6. Parimad praktikad volatile kasutamiseks

Siin on mõned parimad tavad volatile märksõna õige kasutamise jaoks:

  1. Kasutada alati riistvaraga suhtlemisel: Kui tegemist on riistvararegistrite või väliste sisenditega seotud muutujatega, kasuta volatile-märksõna, et tagada alati värske väärtuse lugemine.
  2. Ära kasuta lõimedevaheliseks sünkroniseerimiseks: volatile ei ole mõeldud lõimedevaheliseks sünkroniseerimiseks. Keerulisemates olukordades kasuta mutex’e või semafoore.
  3. Väldi väärkasutust: Kui volatile kasutatakse ilma tegeliku vajaduseta, võib see põhjustada jõudluse langust või ootamatut käitumist. Kasuta seda ainult siis, kui see on tõesti vajalik.

7. volatile nutikas kasutamine tõhusa koodi jaoks

volatile mängib olulist rolli programmeerimisel, eriti riistvaraga suhtlemisel ja mitmelõimelistes keskkondades. Siiski on vajalik selle märksõna õige mõistmine ja läbimõeldud kasutamine.

Kui volatile kasutatakse õigesti, võib see suurendada programmi töökindlust ja stabiilsust. Kuid sama oluline on ka aru saada selle piirangutest ja mitte eeldada, et see lahendab kõik sünkroniseerimise või turvalisuse probleemid automaatselt.

年収訴求