如何搞定嵌入式 C 语言中的全局变量问题

只看该作者 · 2023-12-7 10:24

大家好，今天分享一篇关于嵌入式C编程中全局变量问题的文章。希望对大家有所启发。
嵌入式特别是单片机os-less的程序，最易范的错误是全局变量满天飞。

这个现象在早期汇编转型过来的程序员以及初学者中常见，这帮家伙几乎把全局变量当作函数形参来用。
在.h文档里面定义许多杂乱的结构体，extern一堆令人头皮发麻的全局变量，然后再这个模块里边赋值123，那个模块里边判断123分支决定做什么。
每当看到这种程序，我总要戚眉变脸而后拍桌怒喝。
没错，就是怒喝。我不否认全局变量的重要性，但我认为要十分谨慎地使用它，滥用全局变量会引申带来其它更为严重的结构性系统问题。
诸位看官，且听我细细道来
1、它会造成不必要的常量频繁使用，特别当这个常量没有用宏定义“正名”时，代码阅读起来将万分吃力。
2、它会导致软件分层的不合理，全局变量相当于一条快捷通道，它容易使程序员模糊了“设备层”和“应用层”之间的边界。写出来的底层程序容易自作多情地关注起上层的应用。这在软件系统的构建初期的确效率很高，功能调试进度一日千里，但到了后期往往bug一堆，处处“补丁”，雷区遍布。说是度日如年举步维艰也不为过。
3、由于软件的分层不合理，到了后期维护，哪怕仅是增加修改删除小功能，往往要从上到下掘地三尺地修改，涉及大多数模块，而原有的代码注释却忘了更新修改，这个时候，交给后来维护者的系统会越来越像一个“泥潭”，注释的唯一作用只是使泥潭上方再加一些迷烟瘴气。
4、全局变量大量使用，少不了有些变量流连忘返于中断与主回圈程序之间。这个时候如果处理不当，系统的bug就是随机出现的，无规律的，这时候初步显示出病入膏肓的特征来了，没有大牛来力挽狂澜，注定慢性死亡。
无需多言，您已经成功得到一个畸形的系统，它处于一个神秘的稳定状态！你看着这台机器，机器也看着你，相对无言，心中发毛。你不确定它什么时候会崩溃，也不晓得下一次投诉什么时候道理。
现实层面的后果是什么
1、“老人”气昂昂，因为系统离不开他，所有“雷区”只有他了然于心。当出现紧急的bug时，只有他能够搞定。你不但不能辞退他，还要给他加薪。
2、新人见光死，但凡招聘来维护这个系统的，除了改出更多的bug外，基本上一个月内就走人，到了外面还宣扬这个公司的软件质量有够差够烂。
3、随着产品的后续升级，几个月没有接触这个系统的原创者会发现，很多雷区他本人也忘记了，于是每次的产品升级维护周期越来越长，因为修改一个功能会冒出很多bug，而按下一个bug，会弹出其他更多的bug。在这期间，又会产生更多的全局变量。终于有一天他告诉老板，不行啦不行啦，资源不够了，ram或者flash空间太小了，升级升级。
4、客户投诉不断，售后也快崩溃了，业务员也不敢推荐此产品了，市场份额越来越小，公司形象越来越糟糕。
要说对策，只有两个原则
1、能不用全局变量尽量不用，我想除了系统状态和控制参数、通信处理和一些需要效率的模块，其他的基本可以靠合理的软件分层和编程技巧来解决。
2、如果不可避免需要用到，那能藏多深就藏多深。
a. 如果只有某.c文件用，就static到该文件中，顺便把结构体定义也收进来；
b. 如果只有一个函数用，那就static到函数里面去；
c. 如果非要开放出去让人读取，那就用函数return出去，这样就是只读属性了；
d. 如果非要遭人蹂躏赋值，好吧，我开放函数接口让你传参赋值；5)实在非要extern**我，我还可以严格控制包含我.h档的对象，而不是放到公共的includes.h中被人围观，丢人现眼。
如此，你可明白我对全局变量的感悟有多深刻。悲催的我，已经把当年那些“老人”交给我维护的那些案子加班全部重新翻写了。你能明白吗，不要让人背后唾弃你哦。
最后补充一下意见
1、全局变量是不可避免要用到的，每一个设备底层几乎都需要它来记录当前状态，控制时序，起承转合。但是尽量不要用来传递参数，这个很忌讳的。
2、尽量把变量的作用范围控制在使用它的模块里面，如果其他模块要访问，就开个读或写函数接口出来，严格控制访问范围。这一点，C++的private属性就是这么干的。这对将来程序的调试也很有好处。C语言之所以有++版本，很大原因就是为了控制它的灵活性，要说面向对象的思想，C语言早已有之，亦可实现。
3、当一个模块里面的全局变量超过3个(含)时，就用结构体包起来吧。要归0便一起归0，省得丢三落四的。
4、在函数里面开个静态的全局变量，全局数组，是不占用栈空间的。只是有些编译器对于大块的全局数组，会放到和一般变量不同的地址区。若是在keil C51，因为是静态编译，栈爆掉了会报警，所以大可以尽情驰骋，注意交通规则就是了。
5、单片机的os-less系统中，只有栈没有堆的用法，那些默认对堆分配空间的“startup.s”，可以大胆的把堆空间干掉。
6、程序模型？如何分析抽象出来呢，从哪个角度进行模型构建呢？很愿意聆听网友的意见。本人一直以来都是从两个角度分析系统，事件--状态机迁移图和数据流图，前者分析控制流向，完善UI，后者可知晓系统数据的缘起缘灭。这些理论，院校的《软件工程》教材都有，大家不妨借鉴下。只不过那些理论，终究是起源于大型系统软件管理的，牛刀杀鸡，还是要裁剪一下的。