如何判定全局變量和局部變量

何為變量？

變量一般可以細(xì)分為如下圖：

本節(jié)重點(diǎn)為了讓大家理解內(nèi)存模型的“棧”，暫時(shí)不考慮“靜態(tài)變量” 的情況，并約定如下：

“全局變量”僅僅默認(rèn)為“普通全局變量”；

“局部變量”僅僅默認(rèn)為“普通局部變量”。

如何判定全局變量和局部變量？

簡(jiǎn)單直觀的來(lái)說(shuō)，全局變量就是在函數(shù)外面定義的變量，局部變量就是在函數(shù)內(nèi)部定義的變量，下面的例子能很清晰地說(shuō)明全局變量和局部變量的判定方法：

unsigned char a;//在函數(shù)外面定義的，所以是全局變量。
voidmain()//主函數(shù)
{
 unsigned char b;//在函數(shù)內(nèi)部定義的，所以是局部變量。
b=a;
while(1)
{

}
}

全局變量和局部變量的內(nèi)存模型

單片機(jī)內(nèi)存包括ROM和RAM 兩部分，ROM存儲(chǔ)的是單片機(jī)程序中的指令和一些不可更改的常量數(shù)據(jù)，而 RAM存放的是可以被更改的變量數(shù)據(jù)；

也就是說(shuō)，全局變量和局部變量都是存放在RAM，但是，雖然都是存放在 RAM，全局變量和局部變量之間的內(nèi)存模型還是有明顯的區(qū)別的。

因此，分了兩個(gè)不同的RAM區(qū)，全局變量占用的 RAM區(qū)稱為全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)， 局部變量占用的 RAM 區(qū)稱為棧。

它們的內(nèi)存模型到底有什么本質(zhì)的區(qū)別呢？

全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)就像你自己家的房間，是唯一的，一個(gè)房間的地址只能你一個(gè)人?。僭O(shè)你還是單身狗的時(shí)候），而且是永久的(sorry)，所以說(shuō)每個(gè)全局變量都有唯一對(duì)應(yīng)的 RAM 地址， 不可能重復(fù)的。

棧就像客棧， 一年下來(lái)每天晚上住的人不一樣，每個(gè)人在里面居住的時(shí)間是有期限的，不是長(zhǎng)久的，一個(gè)房間的地址一年下來(lái)每天可能住進(jìn)不同的人，不是唯一的。

全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)的全局變量擁有永久產(chǎn)權(quán)，棧區(qū)的局部變量只能臨時(shí)居住在賓館客棧， 地址不是唯一的， 有期限的。

棧是給程序里所有函數(shù)內(nèi)部的局部變量共用的，函數(shù)被調(diào)用的時(shí)候，該函數(shù)內(nèi)部的每個(gè)局部變量就會(huì)被分配對(duì)應(yīng)到棧的某個(gè)RAM 地址，函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，該局部變量就失效。

因此它對(duì)應(yīng)的棧 的RAM空間就被收回，以便給下一個(gè)被調(diào)用的函數(shù)的局部變量占用。

舉例借用“賓館客棧”來(lái)比喻局部變量所在的“?！薄?/p>

voidfunction(void);//子函數(shù)的聲明

voidfunction(void)//子函數(shù)的定義
{
unsignedchara;//局部變量
a=1;
}

voidmain()//主函數(shù)
{
function();//子函數(shù)的調(diào)用
}

我們看到單片機(jī)從主函數(shù) main 往下執(zhí)行， 首先遇到function()子函數(shù)的調(diào)用， 所以就跳到function()函數(shù)的定義那里開始執(zhí)行， 此時(shí)的局部變量 a 開始被分配在 RAM的“棧區(qū)” 的某個(gè)地址， 相當(dāng)于你入住賓館被分配到某個(gè)房間。

單片機(jī)執(zhí)行完子函數(shù)function() 后，局部變量 a 在 RAM 的棧區(qū)所分配的地址被收回， 局部變量a 消失，被收回的RAM地址可能會(huì)被系統(tǒng)重新分配給其它被調(diào)用的函數(shù)的局部變量。

此時(shí)相當(dāng)于你離開賓館，從此你跟那個(gè)賓館的房間沒有啥關(guān)系， 你原來(lái)在賓館入住的那個(gè)房間會(huì)被賓館老板重新分配給其他的客人入住。

全局變量的作用域是永久性不受范圍限制的，而局部變量的作用域就是它所在函數(shù)的內(nèi)部范圍。全局變量的全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)是永久的私人房子，局部變量的棧是臨時(shí)居住的客棧。

總結(jié)如下

每定義一個(gè)新的全局變量，就意味著多開銷一個(gè)新的RAM 內(nèi)存。而每定義一個(gè)局部變量，只要在函數(shù)內(nèi)部所定義的局部變量總數(shù)不超過(guò)單片機(jī)的棧區(qū)，此時(shí)的局部變量不開銷新的 RAM內(nèi)存， 因?yàn)榫植孔兞渴桥R時(shí)借用棧的， 使用后就還給棧，棧是公共區(qū)， 可以重復(fù)利用，可以服務(wù)若干個(gè)不同的函數(shù)內(nèi)部的局部變量。

單片機(jī)每次進(jìn)入執(zhí)行函數(shù)時(shí)，局部變量都會(huì)被初始化改變，而全局變量則不會(huì)被初始化， 全局變量是一直保存之前最后一次更改的值。

有哪些常見疑問？

全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)和棧區(qū)是誰(shuí)在幕后分配的， 怎么分配的？

是C編譯器自動(dòng)分配的， 至于怎么分配，誰(shuí)分配多一點(diǎn)，誰(shuí)分配少一點(diǎn)，C 編譯器會(huì)有一個(gè)默認(rèn)的比例分配， 我們一般都不用管。

棧區(qū)是臨時(shí)借用的，子函數(shù)被調(diào)用的時(shí)候，它內(nèi)部的局部變量才會(huì)“臨時(shí)” 被分配到“?！?區(qū)的某個(gè)地址，那么問題來(lái)了，誰(shuí)在幕后主持“棧區(qū)” 這些分配的工作？

單片機(jī)已經(jīng)上電開始運(yùn)行程序的時(shí)候，編譯器已經(jīng)不起作用，“棧區(qū)” 分配給函數(shù)內(nèi)部局部變量的工作，確實(shí)是 C 編譯器做的，但這是在單片機(jī)上電前。

C 編譯器就把所有函數(shù)內(nèi)部的局部變量的分配工作就規(guī)劃好了，都指定了如果某個(gè)函數(shù)一旦被調(diào)用，該函數(shù)內(nèi)部的哪個(gè)局部變量應(yīng)該分到“棧區(qū)” 的哪個(gè)地址，C 編譯器都是事先把這些“后事” 都交代完畢了才結(jié)束自己的生命。

等單片機(jī)上電開始工作的時(shí)候，雖然C編譯器此時(shí)不在了，但是單片機(jī)都是嚴(yán)格按照C編譯器交代的遺囑開始工作和分配“棧區(qū)”的。因此，“棧區(qū)” 的“臨時(shí)分配” 非真正嚴(yán)格意義上的“臨時(shí)分配”。

函數(shù)內(nèi)部所定義的局部變量總數(shù)不超過(guò)單片機(jī)的“棧” 區(qū)的 RAM 數(shù)量， 那， 萬(wàn)一超過(guò)了“?！?區(qū)的 RAM數(shù)量， 后果嚴(yán)重嗎？

這種情況專業(yè)術(shù)語(yǔ)叫爆棧。程序會(huì)出現(xiàn)莫名其妙的異常，后果特別嚴(yán)重。

為了避免這種情況， 一般在編寫程序的時(shí)候， 函數(shù)內(nèi)部都不能定義大數(shù)組的局部變量， 局部變量的數(shù)量不能定義太多太大，尤其要避免剛才所說(shuō)的定義開辟大數(shù)組局部變量這種情況。

大數(shù)組的定義應(yīng)該定義成全局變量，或者定義成 靜態(tài)的局部變量。

有一些C編譯器，遇到“爆?！?的情況，會(huì)好心跟你提醒讓你編譯不過(guò)去，但是也有一些 C 編譯器可能就不會(huì)給你提醒，所以大家以后做項(xiàng)目寫函數(shù)的時(shí)候，要對(duì)爆棧心存敬畏。

全局變量和局部變量的優(yōu)先級(jí)

剛才說(shuō)到，全局變量的作用域是永久性并且不受范圍限制的，而局部變量的作用域就是它所在函數(shù)的內(nèi)部范圍。

那么問題來(lái)了，假如局部變量和全局變量的名字重名了，此時(shí)函數(shù)內(nèi)部執(zhí)行的變量到底是局部變量還是全局變量？

這個(gè)問題就涉及到優(yōu)先級(jí)。

注意，當(dāng)面對(duì)同名的局部變量和全局變量時(shí)，函數(shù)內(nèi)部執(zhí)行的變量是局部變量，也就是局部變量在函數(shù)內(nèi)部要比全局變量的優(yōu)先級(jí)高。

我們來(lái)舉一些例子

請(qǐng)看下面第一個(gè)例子

unsignedchara=5;//此處第1個(gè)a是全局變量

voidmain()//主函數(shù)
{
unsignedchara=2;//此處第2個(gè)a是局部變量,跟上面全局變量的第1個(gè)a重名了
print(a);//把a(bǔ)發(fā)送到電腦端的串口助手軟件上觀察
while(1)
{

}
}

正確的答案是 2。在函數(shù)內(nèi)部的局部變量比全局變量的優(yōu)先級(jí)更加高。

雖然這里的兩個(gè)a重名了， 但是它們的內(nèi)存模型不一樣，第1個(gè)全局變量的a是分配在全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū),是具有唯一的地址的，而第2個(gè)局部變量的a是被分配在臨時(shí)的棧區(qū)的，寄生在 main 函數(shù)內(nèi)部。

再看下面第二個(gè)例子

voidfunction(void);//函數(shù)聲明
unsignedchara=5;//此處第1個(gè)a是全局變量

voidfunction(void)//函數(shù)定義
{
 unsigned char a=3;//此處第 2 個(gè) a 是局部變量。
}

voidmain()//主函數(shù)
{
 unsigned char a=2;//此處第 3 個(gè) a 也是局部變量。
function();//子函數(shù)被調(diào)用
print(a);//把 a 發(fā)送到電腦端的串口助手軟件上觀察。
while(1)
{
}
}

正確的答案是2。因?yàn)?，function這個(gè)子函數(shù)是被調(diào)用結(jié)束之后，才執(zhí)行 print(a)的， 就意味函數(shù)內(nèi)部的局部變量(第2個(gè)局部變量 a)是在執(zhí)行 print(a)語(yǔ)句的時(shí)候就消亡不存在了， 所以此時(shí)print(a)的a是第3個(gè)局部變量的a（在 main 函數(shù)內(nèi)部定義的局部變量的 a）。

再看下面第三個(gè)例子

voidfunction(void);//函數(shù)聲明
unsignedchara=5;//此處第1個(gè)a是全局變量

voidfunction(void)//函數(shù)定義
{
unsignedchara=3;//此處第2個(gè)a是局部變量
}

voidmain()//主函數(shù)
{
function();//子函數(shù)被調(diào)用
print(a);//把a(bǔ)發(fā)送到電腦端的串口助手軟件上觀察
while(1)
{
}
}

正確的答案是5。因?yàn)閒unction這個(gè)子函數(shù)是被調(diào)用結(jié)束之后，才執(zhí)行print(a)的，就意味function函數(shù)內(nèi)部的局部變量(第2個(gè)局部變量)是在執(zhí)行function(a)語(yǔ)句的時(shí)候就消亡不存在了。

同時(shí)，因?yàn)榇藭r(shí)main函數(shù)內(nèi)部也沒有定義a的局部變量，所以此時(shí)function(a)的a是必然只能是第1個(gè)全局變量的a（在main函數(shù)外面定義的全局變量的a）。

最后

看到本文之后，相信大家已經(jīng)對(duì)棧有了一些基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)，在嵌入式編程中，我們也要時(shí)刻注意，避免爆棧；如果有錯(cuò)誤歡迎指出，我們下一期，再見。