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          C語言中,全局變量濫用的后果竟如此嚴(yán)重?

          共 4464字,需瀏覽 9分鐘

           ·

          2020-10-13 01:36

          全局變量
          作為一個(gè)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么一檔子事兒
          某位軟件工程師因使用超過10000 個(gè)全局變量
          在法庭上被“噴”是“一坨”代碼

          在工程實(shí)踐中
          總共采用5個(gè)或10個(gè)全局變量
          這都是 OK 的
          但一次性使用10000個(gè)那就很可怕了

          這是不安全的
          因?yàn)橐淮涡圆榭?0000個(gè)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(xué)習(xí)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(tài)全局變量,靜態(tài)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(nèi)部變量。由某對象或某個(gè)函數(shù)所創(chuàng)建的變量通常都是局部變量,只能被內(nèi)部引用,而無法被其它對象或函數(shù)引用。

          全局變量既可以是某對象函數(shù)創(chuàng)建,也可以是在本程序任何地方創(chuàng)建。全局變量是可以被本程序所有對象或函數(shù)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(gè)源文件中定義,就可以作用于所有的源文件。當(dāng)然,其他不包括全局變量定義的源文件需要用extern關(guān)鍵字再次聲明這個(gè)全局變量。

          靜態(tài)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(nèi)閣結(jié)束都一直存在,他和全局變量的區(qū)別在于全局變量對所有的函數(shù)都是可見的,而靜態(tài)局部變量只對定義自己的函數(shù)體始終可見。

          局部變量也只有局部作用域,他是自動(dòng)對象,他在程序運(yùn)行期間不是一直存在,而是只在函數(shù)執(zhí)行期間存在,函數(shù)的一次調(diào)用結(jié)束后,變量就被撤銷,其所占用的內(nèi)存也被收回。

          靜態(tài)全局變量也具有全局作用域,他與全局變量的區(qū)別在于如果程序包含多個(gè)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(guān)鍵字修飾過的變量具有文件作用域。這樣即使兩個(gè)不同的源文件都定義了相同的靜態(tài)全局變量,他們也是不同的變量。

          從分配內(nèi)存空間看:

          全局變量、靜態(tài)局部變量、靜態(tài)全局變量都在靜態(tài)存儲區(qū)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(tài)存儲方式,靜態(tài)全局變量當(dāng)然也是靜態(tài)存儲方式。這兩者在存儲方式上沒有什么不同。區(qū)別在于非靜態(tài)全局變量的作用域是整個(gè)源程序,當(dāng)一個(gè)源程序由多個(gè)源文件組成時(shí),非靜態(tài)的全局變量在各個(gè)源文件中都是有效的。而靜態(tài)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(nèi)有效,在同一源程序的其他源文件中不能使用它。由于靜態(tài)全局變量的作用域局限于一個(gè)源文件內(nèi),只能為該源文件內(nèi)的函數(shù)公用,因此可以避免在其他源文件中引起錯(cuò)誤。

          1、靜態(tài)變量會被放在程序的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲區(qū)里,這樣可以在下一次調(diào)用的時(shí)候還可以保持原來的賦值。這一點(diǎn)是他與堆棧變量和堆變量的區(qū)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(nèi)可見。這一點(diǎn)是他與全局變量的區(qū)別。

          從以上分析可以看出,把局部變量改變?yōu)殪o態(tài)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?yōu)殪o態(tài)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(gè)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(gè)工程文件內(nèi)都有效;“在函數(shù)外定義的變量”,即從定義變量的位置到本源文件結(jié)束都有效。由于同一文件中的所有函數(shù)都能引用全局變量的值,因此如果在一個(gè)函數(shù)中改變了全局變量的值, 就能影響到其他函數(shù)中全局變量的值。

          靜態(tài)全局變量:只在定義它的文件內(nèi)有效,效果和全局變量一樣,不過就在本文件內(nèi)部;

          靜態(tài)局部變量:只在定義它的函數(shù)內(nèi)有效,只是程序僅分配一次內(nèi)存,函數(shù)返回后,該變量不會消失;靜態(tài)局部變量的生存期雖然為整個(gè)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(shù)內(nèi)使用該變量。退出該函數(shù)后, 盡管該變量還繼續(xù)存在,但不能使用它。    

          局部變量:在定義它的函數(shù)內(nèi)有效,但是函數(shù)返回后失效。“在函數(shù)內(nèi)定義的變量”,即在一個(gè)函數(shù)內(nèi)部定義的變量,只在本函數(shù)范圍內(nèi)有效。

          注意:全局變量和靜態(tài)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(tài)局部變量全局變量最明顯的區(qū)別就在于:全局變量在其定義后所有函數(shù)都能用,但是靜態(tài)局部變量只能在一個(gè)函數(shù)里面用。

          通過一個(gè)代碼來解釋就是:

          #include int num1 = 222;         //靜態(tài)存儲期static int num2 = 111;  //靜態(tài)存儲期int add(int a,int b){static int tempSum = 0;  //靜態(tài)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(dòng)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 = 666return 0;}


          02
          新手最容易犯的問題


          嵌入式特別是單片機(jī)os-less的程序,最易范的錯(cuò)誤是全局變量滿天飛。現(xiàn)象在早期匯編轉(zhuǎn)型過來的程序員以及初學(xué)者中常見,這幫家伙幾乎把全局變量當(dāng)作函數(shù)形參來用。

          在.h文檔里面定義許多雜亂的結(jié)構(gòu)體,extern一堆令人頭皮發(fā)麻的全局變量,然后再這個(gè)模塊里邊賦值123,那個(gè)模塊里邊判斷123分支決定做什么。

          每當(dāng)看到這種程序,我總要戚眉變臉而后拍桌怒喝。沒錯(cuò),就是怒喝。我不否認(rèn)全局變量的重要性,但我認(rèn)為要十分謹(jǐn)慎地使用它,濫用全局變量會引申帶來其它更為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性系統(tǒng)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(dāng)這個(gè)常量沒有用宏定義“正名”時(shí),代碼閱讀起來將萬分吃力。

          2. 會導(dǎo)致軟件分層的不合理,全局變量相當(dāng)于一條快捷通道,它容易使程序員模糊了“設(shè)備層”和“應(yīng)用層”之間的邊界。寫出來的底層程序容易自作多情地關(guān)注起上層的應(yīng)用。這在軟件系統(tǒng)的構(gòu)建初期的確效率很高,功能調(diào)試進(jìn)度一日千里,但到了后期往往bug一堆,處處“補(bǔ)丁”,雷區(qū)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(hù),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(shù)模塊,而原有的代碼注釋卻忘了更新修改,這個(gè)時(shí)候,交給后來維護(hù)者的系統(tǒng)會越來越像一個(gè)“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(gè)時(shí)候如果處理不當(dāng),系統(tǒng)的bug就是隨機(jī)出現(xiàn)的,無規(guī)律的,這時(shí)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(jīng)成功得到一個(gè)畸形的系統(tǒng),它處于一個(gè)神秘的穩(wěn)定狀態(tài)!你看著這臺機(jī)器,機(jī)器也看著你,相對無言,心中發(fā)毛。你不確定它什么時(shí)候會崩潰,也不曉得下一次投訴什么時(shí)候道理。


          然后,我告訴大家現(xiàn)實(shí)層面的后果是什么。

          1.“老人”氣昂昂,因?yàn)橄到y(tǒng)離不開他,所有“雷區(qū)”只有他了然于心。當(dāng)出現(xiàn)緊急的bug時(shí),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(hù)這個(gè)系統(tǒng)的,除了改出更多的bug外,基本上一個(gè)月內(nèi)就走人,到了外面還宣揚(yáng)這個(gè)公司的軟件質(zhì)量有夠差夠爛。

          3.隨著產(chǎn)品的后續(xù)升級,幾個(gè)月沒有接觸這個(gè)系統(tǒng)的原創(chuàng)者會發(fā)現(xiàn),很多雷區(qū)他本人也忘記了,于是每次的產(chǎn)品升級維護(hù)周期越來越長,因?yàn)樾薷囊粋€(gè)功能會冒出很多bug,而按下一個(gè)bug,會彈出其他更多的bug。在這期間,又會產(chǎn)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(yè)務(wù)員也不敢推薦此產(chǎn)品了,市場份額越來越小,公司形象越來越糟糕。


          03
          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(tǒng)狀態(tài)和控制參數(shù)、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(jié)構(gòu)體定義也收進(jìn)來;

          2)如果只有一個(gè)函數(shù)用,那就static到函數(shù)里面去;

          3)如果非要開放出去讓人讀取,那就用函數(shù)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(shù)接口讓你傳參賦值;

          5)實(shí)在非要extern我,我還可以嚴(yán)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(xiàn)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(jīng)把當(dāng)年那些“老人”交給我維護(hù)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。

          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(gè)設(shè)備底層幾乎都需要它來記錄當(dāng)前狀態(tài),控制時(shí)序,起承轉(zhuǎn)合。但是盡量不要用來傳遞參數(shù),這個(gè)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(gè)讀或?qū)懞瘮?shù)接口出來,嚴(yán)格控制訪問范圍。這一點(diǎn),C++的private屬性就是這么干的。這對將來程序的調(diào)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?qū)ο蟮乃枷耄珻語言早已有之,亦可實(shí)現(xiàn)。

          3.當(dāng)一個(gè)模塊里面的全局變量超過3個(gè)(含)時(shí),就用結(jié)構(gòu)體包起來吧。要?dú)w0便一起歸0,省得丟三落四的。

          4.在函數(shù)里面開個(gè)靜態(tài)的全局變量,全局?jǐn)?shù)組,是不占用棧空間的。只是有些編譯器對于大塊的全局?jǐn)?shù)組,會放到和一般變量不同的地址區(qū)。若是在keil C51,因?yàn)槭庆o態(tài)編譯,棧爆掉了會報(bào)警,所以大可以盡情馳騁,注意交通規(guī)則就是了。

          5.單片機(jī)的os-less系統(tǒng)中,只有棧沒有堆的用法,那些默認(rèn)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(gè)角度進(jìn)行模型構(gòu)建呢?很愿意聆聽網(wǎng)友的意見。本人一直以來都是從兩個(gè)角度分析系統(tǒng),事件--狀態(tài)機(jī)遷移圖 和 數(shù)據(jù)流圖,前者分析控制流向,完善UI,后者可知曉系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(tǒng)軟件管理的,牛刀殺雞,還是要裁剪一下的。

          05
          【最后再來皮一下,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么?

          答:
          //
          ↓↓↓

          參考資料:

          【1】佚名. 全局變量、局部變量、靜態(tài)全局變量、靜態(tài)局部變量的區(qū)別
          【2】佚名. 嵌入式C編程經(jīng)驗(yàn)之全局變量猛于虎
          【3】《C11標(biāo)準(zhǔn)文檔》

          -END-

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