關注、星標嵌入式客棧，精彩及時送達
[ 導讀]大家好，首先歡迎來了很多新朋友！感謝關注小號，我將一如既往認真分享，廣交朋友，共同進步！前篇《由static來談談模塊封裝》基本實現了對外隱藏屬性，隱藏局部模塊函數，開放接口的功能。對於這個話題還有些點沒有深入探討：爲什麼要這樣做？以及這樣做的好處。或許很多剛剛開始用C或者其他面向對象編程語言(比如C++)的小夥伴們，常常在一個項目裏爲了圖省事，整了很多全局對象、全局變量滿天飛，這樣做其實是有很多弊端，本文來聊聊這個話題。
先談談全局變量的特點
全局變量（Global Variables）：在計算機編程語言中，所謂全局變量是指具有全局作用域的變量，這意味着它在整個程序中是可見的，因此是可訪問的。所謂可訪問，是指全局可讀、全局可寫。在編譯語言中，全局變量通常是靜態變量，其範圍(生命週期)是程序的整個運行時。當然解釋性語言除外，解釋性語言包括命令行解釋器（比如python, Java script,shell等）中，全局變量通常在聲明時由解釋器動態分配，這是由於解釋性語言是讀取>解釋>執行模式，不像編譯性語言，運行前可預知變量屬性，解釋性語言讀取解釋前無從獲取變量屬性。
在C/C++編程語言中，全局變量的這種全局可見性特點，濫用全局變量會讓代碼表現當相當邪惡！如果使用全局變量，就意味着下面這些場景的存在：
實際代碼可能有很多地方在讀、在寫全局變量
全局變量在多線程或多任務間共享
全局變量在常規代碼和中斷服務程序間共享
爲啥說全局變量很邪惡？
單片機裸機編程
或許你會說，我就這樣用？咋了？軟件也跑的很好啊？來看看這個場景：
一個超字寬的變量（比如16位單片機，字寬即位16位），正被一個常規代碼在寫變量數據域時且還沒寫完，啪嘰，來了箇中斷！中斷一來，CPU趕緊把手裏的活兒停下來，奔過去處理中斷了，不巧在中斷函數裏，該變量因業務需求有需要寫這個變量。
舉個栗子,還是以之前文章的傳感器爲例，實際應用中傳感器可能是下面這樣的數據結構來描述的：
#ifndef _SENSOR_H_
#define _SENSOR_H_
typedef struct _t_sensor{
/* 測量值與測量範圍及單位有關 */
float value;
/* 測量範圍，根據採樣值映射 */
float upper_range;
float lower_range;
/* 溫度單位 */
unsiged char unit;
}T_SENSOR;
/*假定是一個溫度測量產品*/
extern T_SENSOR temperature;
#endif _SENSOR_H_
假定這個傳感器數據結構有這樣一些被訪問的可能：
上位機會改寫測量數據的範圍及單位，串口通信中斷服務程序直接寫這個全局變量中的上下限數據域
LCD操作界面可改寫溫度上下限範圍。
測量更新模塊根據當前範圍及單位配置，將傳感器採集到的數據映射爲測量值。
這些需求用例，用圖描述一下：
比如用戶操作HMI界面正改寫溫度範圍，而此時遠程上位機也正改寫溫度範圍，按上面這個做法，可能出現哪些邪惡的後果呢?
通過LCD界面寫入上限爲300.5（假定原下限爲0），此時遠程串口報文收到，程序直接在中斷服務程序將範圍修改爲（-100，200.5），此時中斷返回，用戶可能接着修改下限爲-200，則最終設備內的溫度範圍可能既不是（-100，200.5）也不是（-200，300.5），而可能是（-200，200.5）。這是一個易理解的數據混亂的場景。
現實中如果使用的單片機是8位/16位單片機，一條指令無法完成操作一個32位立即數，有可能才完成一個浮點數中某幾個字節，此時就被中斷打斷寫入200，然後中斷返回後繼續寫入剩下字節，數據可能會變得非常詭異！利用http://www.speedfly.cn/tools/hexconvert/ 在線工具轉換浮點數到16進制：
0x43964000 /* 浮點數300.5的16進制*/
0x43488000 /* 浮點數200.5的16進制*/
假定中斷進入時，HMI界面程序寫入了0x4396前兩個字節，中斷返回時，上限改寫爲200.5(0x43488000),此時繼續執行後面兩個字節寫入，則上限變成爲(0x43484000),來看看這個數是多大？變成了200.25，這是不是很邪惡？
或許有的朋友會說，可以在LCD寫範圍時關中斷嘛。誠然，可以這麼做：
void hmi_operate()
{
/*關中斷*/
_disable_interrupt();
/*改寫溫度範圍*/
....
/*開中斷*/
_enable_interrupt();
}
但是如果這個全局變量有很多地方在改寫，爲了數據安全，勢必就到處開/關中斷，這樣做的壞處：
經常開關中斷，勢必影響中斷響應，會有概率丟失異步中斷處理(比如串口按字節接收中斷，可能就會漏收字節)，程序不健壯，工作不穩定。
到處訪問改寫，不易調試，羣魔亂舞，代碼也不易維護。想加點東西，改點東西可能隨處都是坑，一不小心就掉坑裏去了！
初學者甚至不會用struct將相關的數據包在一起，其結果是代碼裏到處都是基本類型的全局變量。一些簡單的業務邏輯實現變成一個複雜的代碼，數據信息流向一團亂麻。
裸機程序策略
對於上面這樣一個應用場景，怎麼解決這種混亂的現象呢。這裏分享一下我的思路，這裏將主要的串口以及測量模塊的設計思路用UML圖描述一下大體思路：
如此一來，外部就看不到全局變量了，只需要調用對應的set/get方法即可實現讀寫訪問，由於是裸機前後臺程序，數據流向就變的非常清晰了。main函數的主循環大致就可能是這樣：
void main(void)
{
/*模塊初始化*/
init_uart();
init_temperature();
....
while(1)
{
interprete_uart();
/*可能是週期性調用*/
if(timer_100ms)
{
timer_100ms = 0;
update_temperature();
}
....
}
}
那麼uart協議解析要怎麼做呢？
void interprete_uart(void)
{
if(rx_msg.flag)
{
rx_msg.flag = false;
/*報文完整性檢查*/
...
/*設置溫度配置*/
set_upper_range(xxx);
set_lower_range(xxx);
set_unit(xxx);
}
if(tx_msg.flag)
{
tx_msg.flag = false;
start_send();
}
}
static start_send(T_UART_MSG *pMsg)
{
/*負責底層操作，啓動中斷傳輸*/
}
/*提供應答數據接口*/
void reply_temperature_setting(T_SENSOR sensor)
{
/*解析傳入參數並封裝應答報文*/
}
如此一來，數據流向將變得很清晰，串口接收到數據更新範圍配置時，也無需開關中斷了，從應用角度幾乎見不到全局變量。當然這樣做的代價就是會增加一些棧開銷。但是這種代價還是值得的。
對於測量模塊的set函數思路稍做說明：
int set_upper_range(float range)
{
T_SENSOR temp = temperature;
temp.upper_range = range;
/*實現範圍合理性檢查*/
if(check_range(temp))
{
/*兩個結構體變量可以直接賦值*/
temperature = temp;
return 0;
}
else
{
return -1;
}
}
int set_unit(E_UNIT unit)
{
if(unit>=E_UNIT_F)
return -1;
adjust_range(&temperature,unit);
temperature.unit = unit;
}
上述代碼旨在分享個人的一些思路，其中或有不夠嚴謹的地方，但通過這樣的設計思路，應能大幅度遠離滿天飛的全局變量。
多任務/多線程環境
上面描述其實本質上描述了裸機程序裏，普通模式運行程序與中斷服務程序對於臨界資源的競爭。事實上現在不管是單片機，還是處理器，大多都是基於一個操作系統進行應用開發。甚至還可能是多核芯片，這裏就存在併發競爭訪問資源的問題。
臨界資源：各任務/線程採取互斥的方式，實現共享的資源稱作臨界資源。屬於臨界資源的硬件串口打印、顯示等,軟件有消息緩衝隊列、變量、數組、緩衝區等。多任務/線程間應採取互斥方式，從而實現對這種資源的共享。
多任務/多線程情況下在寫模塊時，只需要封裝進保護機制即可。常見的保護機制有關中斷、信號量、互斥鎖等。在Linux內核中爲應對多核併發訪問還有自旋鎖機制。由於篇幅所限，本文就不做展開了，先挖個坑，以後有機會再分享吧。
總結一下
在前文介紹static文章的基礎上，相對更深入的介紹了爲何需要隱藏屬性以及開放接口的做法。以及如何遠離邪惡的全局變量漫天飛舞的不良設計風格。
辛苦原創總結，如果覺得有價值也請幫忙點贊/在看/轉發支持，不勝感激！
—END—
往期精彩推薦，點擊即可閱讀
