全局變量
作為一個嵌入式工程師
肯定有前人提示過你不要濫用
就在之前豐田公司就出過這麼一檔子事兒
某位軟體工程師因使用超過10000 個全局變量
在法庭上被「噴」是「一坨」代碼
在工程實踐中
總共採用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個全局變量以後
才能知道哪裡出了問題
那麼到底啥是全局變量
該怎麼使用
讓我們接下來學習一下
01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」，這些都是程式語言中的基本概念。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，就可以作用於所有的源文件。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於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後，變量就被撤銷，其所佔用的內存也被收回。
靜態全局變量也具有全局作用域，他與全局變量的區別在於如果程序包含多個文件的話，他作用於定義它的文件裡，不能作用到其他文件裡，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麼不同。區別在於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。由於靜態全局變量的作用域局限於一個源文件內，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裡，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範圍內可見。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後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後是改變了他的作用域，限制了他的使用範圍，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。由於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，函數返回後，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。退出該函數後， 儘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，但是函數返回後失效。「在函數內定義的變量」，即在一個函數內部定義的變量，只在本函數範圍內有效。
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於：全局變量在其定義後所有函數都能用，但是靜態局部變量只能在一個函數裡面用。
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;
}
02新手最容易犯的問題
嵌入式特別是單片機os-less的程序，最易範的錯誤是全局變量滿天飛。此現象在早期彙編轉型過來的程式設計師以及初學者中常見，這幫傢伙幾乎把全局變量當作函數形參來用。
在.h文檔裡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，然後再這個模塊裡邊賦值123，那個模塊裡邊判斷123分支決定做什麼。
每當看到這種程序，我總要戚眉變臉而後拍桌怒喝。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. 會導致軟體分層的不合理，全局變量相當於一條快捷通道，它容易使程式設計師模糊了「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。這在軟體系統的構建初期的確效率很高，功能調試進度一日千裡，但到了後期往往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. 由於軟體的分層不合理，到了後期維護，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，交給後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於中斷與主迴圈程序之間。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徵來了，沒有大牛來力挽狂瀾，註定慢性死亡。
無需多言，您已經成功得到一個畸形的系統，它處於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。你不確定它什麼時候會崩潰，也不曉得下一次投訴什麼時候道理。
然後，我告訴大家現實層面的後果是什麼。
1.「老人」氣昂昂，因為系統離不開他，所有「雷區」只有他瞭然於心。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體質量有夠差夠爛。
3.隨著產品的後續升級，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，於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。終於有一天他告訴老闆，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，售後也快崩潰了，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。
03那麼有什麼對策？
1. 能不用全局變量儘量不用，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體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到函數裡面去；
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，不要讓人背後唾棄你哦。
04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。但是儘量不要用來傳遞參數，這個很忌諱的。
2.儘量把變量的作用範圍控制在使用它的模塊裡面，如果其他模塊要訪問，就開個讀或寫函數接口出來，嚴格控制訪問範圍。這一點，C++的private屬性就是這麼幹的。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.當一個模塊裡面的全局變量超過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.在函數裡面開個靜態的全局變量，全局數組，是不佔用棧空間的。只是有些編譯器對於大塊的全局數組，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幹掉。
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？很願意聆聽網友的意見。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，後者可知曉系統數據的緣起緣滅。這些理論，院校的《軟體工程》教材都有，大家不妨借鑑下。只不過那些理論，終究是起源於大型系統軟體管理的，牛刀殺雞，還是要裁剪一下的。
05【最後再來皮一下，不要嘗試】全局變量的最佳前綴
問：全局變量的最佳前綴是什麼？
答：//
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參考資料：
【1】佚名. 全局變量、局部變量、靜態全局變量、靜態局部變量的區別
【2】佚名. 嵌入式C編程經驗之全局變量猛於虎
【3】《C11標準文檔》