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CH10-volatile_register_restrict.md

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一般軟體的開發上比較是在較強的 PC 上做運算，所以較少使用或看到這三個關鍵字，但如果是在一些比較低階的裝置或是較接近硬體的程式，例如 MCU，此時就會常使用或看到這些關鍵字。

1. volatile

C 語言在程式完成後需要編譯成其他檔案才能執行，而編譯器在某些地方會幫忙做最佳化。不過有些時候雖然能在效率上做最佳化，但卻不能得到想要的結果。volatile 中文意思是「易揮發的」，在程式語言中的意義為「易變的」，也就是在程式執行過程中有一個變數會根據硬體的輸入而改變，但是編譯器覺得這種寫法沒效率，會直接把該變數設為定值，所以此關鍵字是告訴編譯器不要對此變數做最佳化的意思
註：不同的程式語言中也有此關鍵字，但是用法大不相同，故在這邊所提到的僅為 C 的用法。

1. 語法

若要宣告一變數或指標為 volatile 有以下四種：

volatile int foo;  // 一個易變的整數變數
int volatile foo;  // 一個易變的整數變數

volatile int *foo; // 一個值易變的整數指標
int volatile *foo; // 一個值易變的整數指標

int * volatile foo;//一個位置易變的整數指標

int volatile * volatile foo;//一個值與位置易變的整數指標

2. 編譯器優化

當程式碼寫完後編譯器會先做檢查，當編譯器發現此值只會與最後出現的敘述有關時，編譯器就會把前面的程式碼忽略，只接跳到最後一個跟他有關的敘述。

int a = 1;
a = 2;
a = 3;

此時編譯器會值將讓 a = 3，但是這種寫法可能有其他用意，如下面例子所述。

3. 在 I/O 的情況下使用

int *output = (unsigned int *)0xff800000;  //定義一個IO埠；
void init(void)
{
    int i;
    for(i = 0; i < 10; i++) *output = i;
}

以上程式碼片段為等待儀器或使用者狀態改變用，但是編譯器覺得從上下文看不出什麼變化，所以會將以上程式碼優化如下

int *output = (unsigned int *)0xff800000;  //定義一個IO埠；
void init(void)
{
    *output = 9;
}

所以可將 * output 用 volatile 修飾，如此一來就會跟著所接收到的資料改變。其餘範例可參考維基百科

volatile int *output = (unsigned int *)0xff800000;  //定義一個IO埠；
void init(void)
{
    for(int i = 0; i < 10; i++) *output = i;
}

https://en.wikipedia.org/wiki/Volatile_(computer_programming)

3. 與 const 合用

const 這個關鍵字可以讓變數的值不能由程式碼改變，但是此變數可能會隨著外部裝置給的訊號有所不同。所以當從外部讀取某個資料，且一定要放在某一段記憶體時，就會看到這種用法。

unsigned int const volatile *status_reg;

4. 與多執行緒的關係

volatile 這個關鍵字是在 C99 前就已經有的，然而與多執行緒 (multiple threading) 的關鍵字與 header 則是在 C11 才加入在多執行緒程式中。在多執行緒程式要避免死結 (Deadlock)[1] 的發生，這會讓 CPU 的使用效率大大降低，其中一個解法就是使用 mutex 上鎖。那麼在沒有用 C11 標準要如何避免呢？volatile 就是一個解法，詳情可參考以下文章
https://www.drdobbs.com/cpp/volatile-the-multithreaded-programmers-b/184403766
當然若是使用 C11/C++11，mutex 是更好的選擇。
[1] 死結 (Deadlock)：當有以下情況同時發生時就是產生了競爭條件

  1. 禁止搶占（no preemption）：系統資源不能被強制從一個行程中登出。
  2. 持有和等待（hold and wait）：一個行程可以在等待時持有系統資源。
  3. 互斥（mutual exclusion）：資源只能同時分配給一個行程，無法多個行程共享。
  4. 循環等待（circular waiting）：一系列行程互相持有其他行程所需要的資源。 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%AD%BB%E9%94%81

2. register

雖然對於多數的程式設計者而言記憶體可以當作是一樣的，但是在硬體上其實存在著不同等級的記憶體。在電腦中越貴的記憶體跑越快，當然容量也越小，反之則越大，所以速度最快的記憶體通常最少，反之最多。若是牽涉到較接近底層硬體的程式就會使用到此關鍵字。
image
source: OPERATING SYSTEM CONCEPTS 10ed
一般的變數如果沒特別宣告，大部分是存在 RAM 中，當使用此關鍵字修飾該變數時，該變數就會放在 CPU 的記憶體中。下方例子展示一的變數用 register 較沒用此關鍵字修飾的將近快 2 倍。

#include <stdio.h>
#include <time.h>

int main()
{

    clock_t start, end;
    start = clock();
    
    register int a = 0;  // t = 0.002065 s
    //int a = 0;  // t = 0.003931 s
    for(int i = 0; i < 1000001; i++)
    {
        ++a;
        --a;
    }
    
    end = clock();
    double cpu_time_used = ((double) (end - start)) / CLOCKS_PER_SEC;
    printf("%f\n", cpu_time_used);
    
    return 0;
}

3. restrict

此關鍵字從 C99 以後才有，如果是使用較早的標準則無法使用，此關鍵字只能修飾指標。C 語言對於指標的保護不夠好，沒有辦法判定在同一段記憶體中，是否只有一個指標指向該位置，所以編譯器在這方面就不會做優化。

int a = 0;
int *p1 = &a, *p2 = &a; //這是可以的，當改了其中一個，另外兩個也會跟著變

當使用這個關鍵字時，就是告訴編譯器可以直接做優化，跟 volatile 是相反的。

int add(int *a, int *b)
{
    *a = 1;
    *b = 2;
    return *a + *b;
}

在上面範例中編譯器會用最安全的作法，也就是 * a 和 * b 是指向兩個不同的位置，所以在最後的 return 時還要再去找 a 的位置，因為 a 有可能被上一行修改。但是如果用 restrict 關鍵字修飾 a, b，那麼在意義上就是程式設計者保證這兩個指標不會指向同一個位置，請編譯器直接優化

int add(int * restrict a, int * restrict b)
{
    *a = 1;
    *b = 2;
    return *a + *b;
}

所以在上述兩函數宣告中，引數有用 restrict 修飾的關鍵字所產生的組合語言會比較短，也就是這樣子的程式會跑比較快，可參考以下資料
https://www.zhihu.com/question/41653775
https://youtu.be/CDOTMOUXqR4?t=844
而在 C 的標準函示庫中也有使用到此關鍵字

void * memcpy(void * restrict s1, const void * restrict s2, size_t n);
void * memmove(void * s1, const void * s2, size_t n);

這兩個函數的功能幾乎完全一樣，不過可看到 memcpy 在引數的部分有加入 restrict，表示程式設計者要自行注意這兩段記憶體是否有重疊，而 memmove 沒有。所以實際使用上 memcpy 會比較快，但是 memmove 比較安全，但只要程式設計者有注意到記憶體不要重疊，那麼 memcpy 是比較好的選項。
在這必須再強調一次，restrict 是告訴編譯器可以優化，但是優化的前提是程式設計者保證這兩個指標的記憶體位置沒有重疊。