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    嵌入式工程師一定不要亂用全局變量

    • 發布:嵌入式培訓
    • 來源:嵌入式arm
    • 時間:2020-12-15 13:48

    作為一個嵌入式工程師,肯定有前人提示過你不要濫用全局變量,就在之前豐田公司就出過這么一檔子事兒,某位軟件工程師因使用超過10000 個全局變量,在法庭上被“噴”是“一坨”代碼。

    在工程實踐中,總共采用5個或10個全局變量,這都是 OK 的,但一次性使用10000個那就很可怕了,這是不安全的,因為一次性查看10000個全局變量以后,才能知道哪里出了問題,那么到底啥是全局變量,該怎么使用,讓我們接下來學習一下。

    1、啥是全局變量

    說起全局變量,就不得不提到“全局變量,局部變量,靜態全局變量,靜態局部變量”,這些都是編程語言中的基本概念。變量分為局部與全局,局部變量又可稱之為內部變量。由某對象或某個函數所創建的變量通常都是局部變量,只能被內部引用,而無法被其它對象或函數引用。

    全局變量既可以是某對象函數創建,也可以是在本程序任何地方創建。全局變量是可以被本程序所有對象或函數引用。

    從作用域看:

    全局變量具有全局作用域。全局變量只需在一個源文件中定義,就可以作用于所有的源文件。當然,其他不包括全局變量定義的源文件需要用extern關鍵字再次聲明這個全局變量。

    靜態局部變量具有局部作用域。它只被初始化一次,自從第一次初始化直到程序與你新內閣結束都一直存在,他和全局變量的區別在于全局變量對所有的函數都是可見的,而靜態局部變量只對定義自己的函數體始終可見。

    局部變量也只有局部作用域,他是自動對象,他在程序運行期間不是一直存在,而是只在函數執行期間存在,函數的一次調用結束后,變量就被撤銷,其所占用的內存也被收回。

    靜態全局變量也具有全局作用域,他與全局變量的區別在于如果程序包含多個文件的話,他作用于定義它的文件里,不能作用到其他文件里,即被static關鍵字修飾過的變量具有文件作用域。這樣即使兩個不同的源文件都定義了相同的靜態全局變量,他們也是不同的變量。

    從分配內存空間看:

    全局變量、靜態局部變量、靜態全局變量都在靜態存儲區分配空間,而局部變量在棧分配空間。

    全局變量本身就是靜態存儲方式,靜態全局變量當然也是靜態存儲方式。這兩者在存儲方式上沒有什么不同。區別在于非靜態全局變量的作用域是整個源程序,當一個源程序由多個源文件組成時,非靜態的全局變量在各個源文件中都是有效的。而靜態全局變量則限制了其作用域,即只在定義該變量的源文件內有效,在同一源程序的其他源文件中不能使用它。由于靜態全局變量的作用域局限于一個源文件內,只能為該源文件內的函數公用,因此可以避免在其他源文件中引起錯誤。

    1、靜態變量會被放在程序的靜態數據存儲區里,這樣可以在下一次調用的時候還可以保持原來的賦值。這一點是他與堆棧變量和堆變量的區別

    2、變量用static告知編譯器,自己僅僅在變量的作用域范圍內可見。這一點是他與全局變量的區別。

    從以上分析可以看出,把局部變量改變為靜態變量后是改變了他的存儲方式,即改變了他的生存期。把全局變量改變為靜態變量后是改變了他的作用域,限制了他的使用范圍,因此static這個說明符在不同的地方起的作用是不同的。

    簡單來說就是:

    全局變量:在整個工程文件內都有效;“在函數外定義的變量”,即從定義變量的位置到本源文件結束都有效。由于同一文件中的所有函數都能引用全局變量的值,因此如果在一個函數中改變了全局變量的值, 就能影響到其他函數中全局變量的值。

    靜態全局變量:只在定義它的文件內有效,效果和全局變量一樣,不過就在本文件內部;

    靜態局部變量:只在定義它的函數內有效,只是程序僅分配一次內存,函數返回后,該變量不會消失;靜態局部變量的生存期雖然為整個工程,但是其作用仍與局部變量相同,即只能在定義該變量的函數內使用該變量。退出該函數后, 盡管該變量還繼續存在,但不能使用它。

    局部變量:在定義它的函數內有效,但是函數返回后失效。“在函數內定義的變量”,即在一個函數內部定義的變量,只在本函數范圍內有效。

    注意:全局變量和靜態變量如果沒有手工初始化,則由編譯器初始化為0。局部變量的值不可知。

    靜態局部變量與全局變量最明顯的區別就在于:全局變量在其定義后所有函數都能用,但是靜態局部變量只能在一個函數里面用。

    通過一個代碼來解釋就是:

    #include <stdio.h>

    int num1 = 222; //靜態存儲期

    static int num2 = 111; //靜態存儲期

    int add(int a,int b)

    {

    static int tempSum = 0; //靜態存儲期

    tempSum = tempSum + a + b;

    return tempSum;

    }

    int main(void)

    {

    printf("num1=%d,num2=%d\n",num1,num2);

    int sum = 0; //自動存儲期

    sum = add(num1,num2);

    printf("first time sum=%d\n",sum);//sum = 333

    sum = add(num1,num2);

    printf("second time sum=%d\n",sum); //sum = 666

    return 0;

    }

    2、新手最容易犯的問題

    嵌入式特別是單片機os-less的程序,最易范的錯誤是全局變量滿天飛。此現象在早期匯編轉型過來的程序員以及初學者中常見,這幫家伙幾乎把全局變量當作函數形參來用。

    在.h文檔里面定義許多雜亂的結構體,extern一堆令人頭皮發麻的全局變量,然后再這個模塊里邊賦值123,那個模塊里邊判斷123分支決定做什么。

    每當看到這種程序,我總要戚眉變臉而后拍桌怒喝。沒錯,就是怒喝。我不否認全局變量的重要性,但我認為要十分謹慎地使用它,濫用全局變量會引申帶來其它更為嚴重的結構性系統問題。

    1. 濫用全局變量會造成不必要的常量頻繁使用,特別當這個常量沒有用宏定義“正名”時,代碼閱讀起來將萬分吃力。

    2. 會導致軟件分層的不合理,全局變量相當于一條快捷通道,它容易使程序員模糊了“設備層”和“應用層”之間的邊界。寫出來的底層程序容易自作多情地關注起上層的應用。這在軟件系統的構建初期的確效率很高,功能調試進度一日千里,但到了后期往往bug一堆,處處“補丁”,雷區遍布。說是度日如年舉步維艱也不為過。

    3. 由于軟件的分層不合理,到了后期維護,哪怕僅是增加修改刪除小功能,往往要從上到下掘地三尺地修改,涉及大多數模塊,而原有的代碼注釋卻忘了更新修改,這個時候,交給后來維護者的系統會越來越像一個“泥潭”,注釋的唯一作用只是使泥潭上方再加一些迷煙瘴氣。

    4. 全局變量大量使用,少不了有些變量流連忘返于中斷與主回圈程序之間。這個時候如果處理不當,系統的bug就是隨機出現的,無規律的,這時候初步顯示出病入膏肓的特征來了,沒有大牛來力挽狂瀾,注定慢性死亡。

    無需多言,您已經成功得到一個畸形的系統,它處于一個神秘的穩定狀態!你看著這臺機器,機器也看著你,相對無言,心中發毛。你不確定它什么時候會崩潰,也不曉得下一次投訴什么時候道理。

    然后,我告訴大家現實層面的后果是什么。

    1.“老人”氣昂昂,因為系統離不開他,所有“雷區”只有他了然于心。當出現緊急的bug時,只有他能夠搞定。你不但不能辭退他,還要給他加薪。

    2. 新人見光死,但凡招聘來維護這個系統的,除了改出更多的bug外,基本上一個月內就走人,到了外面還宣揚這個公司的軟件質量有夠差夠爛。

    3.隨著產品的后續升級,幾個月沒有接觸這個系統的原創者會發現,很多雷區他本人也忘記了,于是每次的產品升級維護周期越來越長,因為修改一個功能會冒出很多bug,而按下一個bug,會彈出其他更多的bug。在這期間,又會產生更多的全局變量。終于有一天他告訴老板,不行啦不行啦,資源不夠了,ram或者flash空間太小了,升級升級。

    4. 客戶投訴不斷,售后也快崩潰了,業務員也不敢推薦此產品了,市場份額越來越小,公司形象越來越糟糕。

    3、那么有什么對策?

    1. 能不用全局變量盡量不用,我想除了系統狀態和控制參數、通信處理和一些需要效率的模塊,其他的基本可以靠合理的軟件分層和編程技巧來解決。

    2. 如果不可避免需要用到,那能藏多深就藏多深。

    1)如果只有某.c文件用,就static到該文件中,順便把結構體定義也收進來;

    2)如果只有一個函數用,那就static到函數里面去;

    3)如果非要開放出去讓人讀取,那就用函數return出去,這樣就是只讀屬性了;

    4)如果非要遭人蹂躪賦值,好吧,我開放函數接口讓你傳參賦值;

    5)實在非要extern我,我還可以嚴格控制包含我.h檔的對象,而不是放到公共的includes.h中被人圍觀,丟人現眼。

    如此,你可明白我對全局變量的感悟有多深刻。悲催的我,已經把當年那些“老人”交給我維護的那些案子加班全部重新翻寫了。你能明白嗎,不要讓人背后唾棄你哦。

    4、大量使用局部變量也會容易造成棧溢出

    1.全局變量是不可避免要用到的,每一個設備底層幾乎都需要它來記錄當前狀態,控制時序,起承轉合。但是盡量不要用來傳遞參數,這個很忌諱的。

    2.盡量把變量的作用范圍控制在使用它的模塊里面,如果其他模塊要訪問,就開個讀或寫函數接口出來,嚴格控制訪問范圍。這一點,C++的private屬性就是這么干的。這對將來程序的調試也很有好處。C語言之所以有++版本,很大原因就是為了控制它的靈活性,要說面向對象的思想,C語言早已有之,亦可實現。

    3.當一個模塊里面的全局變量超過3個(含)時,就用結構體包起來吧。要歸0便一起歸0,省得丟三落四的。

    4.在函數里面開個靜態的全局變量,全局數組,是不占用棧空間的。只是有些編譯器對于大塊的全局數組,會放到和一般變量不同的地址區。若是在keil C51,因為是靜態編譯,棧爆掉了會報警,所以大可以盡情馳騁,注意交通規則就是了。

    5.單片機的os-less系統中,只有棧沒有堆的用法,那些默認對堆分配空間的“startup.s”,可以大膽的把堆空間干掉。

    6.程序模型?如何分析抽象出來呢,從哪個角度進行模型構建呢?很愿意聆聽網友的意見。本人一直以來都是從兩個角度分析系統,事件--狀態機遷移圖 和 數據流圖,前者分析控制流向,完善UI,后者可知曉系統數據的緣起緣滅。這些理論,院校的《軟件工程》教材都有,大家不妨借鑒下。只不過那些理論,終究是起源于大型系統軟件管理的,牛刀殺雞,還是要裁剪一下的。

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