漫谈C变量——夏虫不可语冰

作者:GorgonMeducer 傻孩子
首发:裸机思维

在C语言中,按照生命周期来分,变量只有两类:静态变量动态变量

其中,静态变量是指,在编译时刻(Compiling-time)变量的地址和大小都已经确定下来的变量。动态变量是指,直到运行时刻(Run-time),变量的地址(有时候包括确切大小)才能在某个时刻暂时性的确定下来的变量。

静态变量

  在嵌入式系统中,确定的(Deterministic)通常是“简单可靠”的代名词,因此在追求可靠性的嵌入式项目中尽可能使用静态变量是有道理的。静态变量是永恒的,如果一个程序就是一个世界,那么这些静态变量从创世纪开始就存在了,直到末日它也依然在那里、地址、大小都不会变化。

  静态变量按照“语法上的作用范围”可以划分为:全局变量(Global Variable)和静态变量(Static Variable)。

静态变量的作用范围受到花括号的限制——仅在对应的花括号内有效。

  根据这一规则,我们容易知道,在任何花括号内的静态变量,都是局部静态变量(local static variable),其作用范围受到对应的花括号限制。有一类特殊的静态变量,它们的头顶上没有任何花括号了,而且也没有static关键字的限制,那么我们可以理解为,这类无人约束的变量,其作用范围就是整个工程啦——也就是我们所说的全局变量。还有一类头顶上没有花括号,但是由static修饰的静态变量,我们称为“模块内全局变量”——它仅在当前.c文件内是可以“全局”访问的。

  其实,根据我们之前一篇关于指针的文章(《求求你,不要再纠结指针了……》,发送关键字“指针”进行阅读),我们知道,这种“语法上”的东西都是虚假的,骗小孩的,具体就不再赘述。基于这一原因,后面将不对全局变量和静态局部变量之流做区分,统一称为静态变量。

静态变量放在哪里呢?

static uint32_t wExampleA = 0x12345678;

  static uint16_t hwExampleB = 0;

  static uint16_t *phwPointer = NULL;

  static uint8_t chExampleC[10]; 

  static float fExampleD;

无论是代码(Code)还是数据(Data),他们的容器都是“段”(section)。

对于 wExampleA 这样有非0初始值的变量,编译器视作 RW Data (Read/Write Data,也就是普通的可读可写的数据),简称RW,放在“.data”段(.data section)里。

对于 wExampleB、phwPointer 这样被明确初始化为0的变量,编译器视作 ZI RW Data(Zero Initialized Read/Write Data,初始化为0的可读可写数据),简称 ZI,放在“.bss”段( .bss section)。

对于 wExampleC 和 wExampleD 这样没有明确指定初始值的变量,编译器会视作其默认“应该”用0进行初始化,因此也作为 ZI,放在“.bss”段。

  简单说,除了有非0初始化值的变量放在.data段以外,( 记忆为 RW 放 .data section),其余所有变量都放在 .bss 段(记忆为 ZI 放 .bss section)。


昏昏欲睡的高手们,福利来了:

  在MDK中(其实是 ARM Compiler中),默认情况下,所有尺寸小于8个字节、本应放在 .bss 段的 ZI Data,都会被作为普通RW Data放在 “.bss” 段——之所以这么做是因为编译器觉得:通过循环赋值的方法给这帮小变量初始化成0太不划算了,初始化他们的程序都比变量本身还大呢,干脆放几个0到RW的初始值表里,由RW数据的初始化程序顺手处理好了——说了这么多,如果不好理解,简单理解成出于优化的目的就行了。

  要想关闭这个优化,在命令行中加入“--bss_threshold=0”就可以了。顺便说下,默认设置相当于“--bss_threshold=8”。


.data section 和 .bss section是两个默认的section,你还以定义自己的section,并自己指定将哪些变量放到里面。具体怎么实现,请查阅对应编译器的使用手册。

你可以忘记上面这些,只要记住:变量和代码都是放在段里面的,段具体放在哪里(什么地址上)则是由 linker 的脚本控制的。

在MDK中(也就是ARM Compiler中),这个脚本叫做scatter-loading file;在IAR和GCC也有对应的LinkerScript,只不过语法规则不同,感兴趣的人可以查阅对应的手册,这里只为读者提供一个自行研究的方向,避免屋上架屋,不再赘述。

动态变量

C语言原生态支持的动态变量就只有局部变量了(Local Variable)。理论上说,局部变量只在程序进入变量所在的花括号范围内时才从栈(stack)中进行分配,一旦程序出了花括号,它的声明就结束了——夏虫不可语冰说的就是局部变量那可怜的一生……

看着新近分配的局部变量,静态局部变量深深的吸了一口烟,又长长的吐了出去:时间对它是没有意义的存在。俗话说“铁打的花括号,流水的局部变量”,看了太多的生生死死,它已经麻木了……然而,命运枷锁禁锢了静态局部变量的脚步,它是多么的向往花括号外面的世界,企盼着有一天一个指针脚踏七彩祥云,将自己拉出牢笼,不再只看着“高墙上四角的天空”……

请从下列成语中选择出与 “将局部变量的地址传递到函数外部”的做法意义相近的成语:

A. 刻舟求剑  B. 刻舟求剑  C. 刻舟求剑 D. 刻舟求剑

与浮萍一般生命短暂、作用范围有限的局部变量相对,堆(Head)变量是一个奇葩的存在:

首先,堆变量的作用范围不受花括号限制,但具体在哪个范围内有效,完全由程序逻辑决定(掌握在程序员的手里);

其次,堆变量的生存时间不受花括号限制,但正常情况下都是有限的,指不定什么时候就被Free掉了;少数比较悲惨的堆变量则滑落到了命运的深渊中,从此被人们所遗忘,陷入了痛苦的永生……

堆变量不是C语言原生态所支持的变量类型(C++、Java、C#原生态支持),而是开发人员通过程序逻辑所构造出的特殊变量类型。堆从哪里来呢?我们既可以定义一个很大的数组(你肯定不会在意数组的初值对吧),将它交给堆函数(此时,堆就在ZI里面);也可以告诉编译器,把 .bss后面的一定RAM区域化归特区——编译器将不再这个区域分配静态变量——交给堆函数(此时,堆既不在RW里,也不在ZI里)。堆不是一个听话的好孩子,经常和它的邻居,ZI、RW和Stack打架。有些严厉的家长为了家族的繁荣和稳定,直接就将Heap丢弃了——没弄清楚它的脾气之前,你可轻易不要捡回来哦。

介绍完了各种变量的身世,下一篇,我们来八卦下变量访问的那些事儿。


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