漫谈C变量——夏虫不可语冰
时间：2021-01-21 00:57:50
[导读]在C语言中，按照生命周期来分，变量只有两类：静态变量和动态变量。
在C语言中，按照生命周期来分，变量只有两类：静态变量和动态变量。
> 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）。
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？
> 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。
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……
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。
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。
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