在嵌入式軟件編程中深入理解關(guān)鍵字

引 言

計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言的關(guān)鍵字就好比是它的靈魂，只有深入理解了它們的含義才能編寫(xiě)出優(yōu)秀的代碼。C語(yǔ)言以其簡(jiǎn)潔、高效和強(qiáng)大等特性成為嵌入式軟件編程的首選語(yǔ)言，但是某些關(guān)鍵字，例如const、static、extern和volatile等，在不同的場(chǎng)合具有不同的含義，而且某些用法晦澀難懂，為此本文詳細(xì)介紹這些關(guān)鍵字的用法及其背后的原理。

1 const

const限定的對(duì)象表示編譯器可以將它放在只讀存儲(chǔ)器中，也就意味著在對(duì)其進(jìn)行初始化之后就不能改變它的值。根據(jù)const使用的不同場(chǎng)合，大致可以分為三種情況，其一限定普通變量，其二限定函數(shù)參數(shù)，其三限定指針變量。

第一和第二種情況最為簡(jiǎn)單，語(yǔ)句①和語(yǔ)句②分別展示了它的用法。語(yǔ)句①定義了一個(gè)值為10的整型常量。語(yǔ)句②中的const表示在函數(shù)體中不能修改src 指向的區(qū)域中的數(shù)據(jù)，這與函數(shù)的拷貝功能相對(duì)應(yīng)，只做它應(yīng)該做的事情而不應(yīng)該有其他副作用，編譯器可以利用這些信息進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。

①const int i=10;

②void*memcpy(void * dst，const void * src，size_t size);

③const int *ptr;

④int const *ptr;

⑤int*const ptr;

⑥int const*cons ptr;

第3種情況最為復(fù)雜，雖然只是const位置不同，但是卻可能具有完全不同的意義。一般，一個(gè)聲明語(yǔ)句由聲明說(shuō)明符(decl-specifier)和一系列聲明子(declarator)兩部分組成，而且聲明說(shuō)明符中的符號(hào)可以以任何次序出現(xiàn)。理解聲明的第一步是定位說(shuō)明符和聲明子的邊界。這很容易：所有的說(shuō)明符都是關(guān)鍵字或者類型名，因此說(shuō)明符終止于第一個(gè)不是以上類型之一的符號(hào)。例如，在語(yǔ)句③和④中第一個(gè)既不是關(guān)鍵字也不是類型名的符號(hào)是“*”，即聲明說(shuō)明符分別為const.int和int const，由于聲明說(shuō)明符中的符號(hào)可以以任意次序出現(xiàn)，因此語(yǔ)句③和④的含義是相同的。

為了迅速弄清語(yǔ)句表達(dá)的含義，參考文獻(xiàn)[1]介紹了一種簡(jiǎn)便的方法，其要點(diǎn)就是“逆序讀出定義”，如圖1所示。

2 static與extem

static的含義隨著出現(xiàn)位置(全局變量還是局部變量)和修飾對(duì)象(變量還是函數(shù))的不同而有很大的差別。下面各條目中的模塊指的是一個(gè)源文件或者一個(gè)翻譯單元：

①位于函數(shù)體中的靜態(tài)變量在多次函數(shù)調(diào)用間會(huì)維持其值。

②位于模塊內(nèi)(但在函數(shù)體外)的靜態(tài)變量可以被模塊內(nèi)的所有函數(shù)訪問(wèn)，但不能被模塊外其他函數(shù)訪問(wèn)。也就是說(shuō)，它是一個(gè)本地的全局變量。

③位于模塊內(nèi)的靜態(tài)函數(shù)只能被此模塊內(nèi)的其他函數(shù)調(diào)用。也就是說(shuō)，這個(gè)函數(shù)的作用域?yàn)槁暶魉诘哪K。

為了清楚地理解static的3種用法，必須首先了解C語(yǔ)言中每個(gè)標(biāo)識(shí)符都具有的作用域、鏈接和存儲(chǔ)持續(xù)期等特性的含義。在ISO C99標(biāo)準(zhǔn)中，其定義如下：

①對(duì)象的作用域指的是它僅在程序的某個(gè)區(qū)域中是可見(jiàn)的(即可以使用)。常見(jiàn)的作用域有文件作用域和塊作用域。

②對(duì)象的存儲(chǔ)持續(xù)期決定對(duì)象的生命周期，即在程序執(zhí)行某段區(qū)間中為對(duì)象保留存儲(chǔ)區(qū)。有兩種類型的存儲(chǔ)持續(xù)期：靜態(tài)的和自動(dòng)的。靜態(tài)存儲(chǔ)持續(xù)期的對(duì)象的生命周期為程序執(zhí)行的全過(guò)程，它的值在程序啟動(dòng)前僅初始化一次。

③鏈接指的是在不同作用域中聲明的或者同一個(gè)作用域中多次聲明的標(biāo)識(shí)符可以引用相同的對(duì)象或函數(shù)。有3種類型的鏈接：外部、內(nèi)部和無(wú)。在情況②和③ 中，static分別用來(lái)修飾全局變量glob-al和函數(shù)foo，改變它們的鏈接特性，使它們具有內(nèi)部鏈接。也就是說(shuō)，只有在定義它們的翻譯單元或者文件內(nèi)才能使用它們，這對(duì)于創(chuàng)建模塊化的軟件非常重要。

與static相反，extern修飾的對(duì)象或函數(shù)具有外部鏈接。對(duì)于那些暴露給外部使用的接口函數(shù)應(yīng)該使用ex-tern限定，那些非接口函數(shù)，例如工具函數(shù)或與實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)相關(guān)的函數(shù)，則應(yīng)該顯式地使用static限定。這是因?yàn)槿绻瘮?shù)聲明不帶任何存儲(chǔ)類說(shuō)明符，那么它具有外部鏈接就好像使用了 extern一樣。

在情況①中，static用來(lái)修飾局部變量local，將local的存儲(chǔ)持續(xù)期由自動(dòng)的改變?yōu)殪o態(tài)的，這樣在foo函數(shù)的多次調(diào)用間會(huì)為其保留值。注意作用域、鏈接和存儲(chǔ)持續(xù)期特性之間是正交的。例如在情況①中，雖然變量local的存儲(chǔ)持續(xù)期變成靜態(tài)的，但是它的作用域仍然是塊作用域。

3 volatile

volatile關(guān)鍵字用來(lái)聲明這樣的對(duì)象，它們的值可能由于程序控制之外的事件而被潛在改變。volatile強(qiáng)制編譯器不會(huì)對(duì)其所限定的對(duì)象進(jìn)行任何優(yōu)化，每次讀寫(xiě)都必須訪問(wèn)實(shí)際的存儲(chǔ)器而不能使用寄存器中的副本。在實(shí)踐中，它大量的用來(lái)描述一個(gè)對(duì)應(yīng)于內(nèi)存映射的輸入/輸出端口，例如飛利浦公司 LPC21xx系列ARM處理器的向量地址寄存器定義為：

#define VICVectAddr (*((volatile unsigned long*)0xFFFFF030))

其次，中斷服務(wù)例程中使用的非自動(dòng)變量或者多線程應(yīng)用程序中多個(gè)任務(wù)共享的變量也必須使用volatile進(jìn)行限定。例如在下面的示例中，如果沒(méi)有使用 volatile限定g_Flag變量，編譯器看到在foo函數(shù)中并沒(méi)有修改g_Flag，可能只執(zhí)行一次g_Flag讀操作并將g_Flag的值緩存在寄存器中，以后每次g_Flag讀操作都使用寄存器中的緩存值而不進(jìn)行存儲(chǔ)器訪問(wèn)，導(dǎo)致some_action函數(shù)永遠(yuǎn)無(wú)法執(zhí)行。

4 Dacked

在嵌入式軟件編程中，經(jīng)常需要精確控制結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存中的布局和訪問(wèn)非自然對(duì)齊的數(shù)據(jù)，但是C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定而是留給編譯器廠商自行處理。在 ARM C編譯器中，使用__packed關(guān)鍵字將任何類型的對(duì)齊設(shè)置為1字節(jié)。在實(shí)踐中，__packed主要有兩個(gè)功能：其一，當(dāng)它修飾指針時(shí)，表示此指針指向的地址是非自然對(duì)齊的，編譯器會(huì)生成特殊的代碼以確保獲得正確的結(jié)果;其二，當(dāng)它修飾結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合或它們中的域時(shí)，可以用來(lái)創(chuàng)建沒(méi)有填充的結(jié)構(gòu)。

與其他RISC架構(gòu)一樣，ARM處理器能夠高效地訪問(wèn)對(duì)齊的數(shù)據(jù)，即字地址的末尾兩位為零，半字地址的最后一位為零，也稱這樣的數(shù)據(jù)位于它的自然大小邊界或者是自然對(duì)齊的。ARM編譯器希望普通的“C”指針指向一個(gè)4字節(jié)對(duì)齊內(nèi)存地址，這樣它可以在代碼中使用LDR/STR指令一次操作4個(gè)字節(jié)，否則只能使用LDRB/LDRH等字節(jié)/半字操作指令。相反如果指針指向一個(gè)非自然對(duì)齊的地址，例如如果一個(gè)整型指針指向地址0x8006，當(dāng)然希望裝載地址 0xS006-0xS007-0x8008-0xS009處的數(shù)據(jù)，但是實(shí)際上ARM會(huì)對(duì)非自然對(duì)齊的地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換而從裝載地址 0xS004-0xS005-0x8006-0xS007處的數(shù)據(jù)。在下面的示例中(測(cè)試環(huán)境為uVision3)，首先定義了一個(gè)大小為16字節(jié)的整型數(shù)組，依次初始化為0，1，2，…，15。由于array是一個(gè)整型數(shù)組，編譯器會(huì)確保它是4字節(jié)對(duì)齊的，即指針pc指向一個(gè)4字節(jié)對(duì)齊的地址。運(yùn)行程序后，可以看到如果對(duì)pc指針不加__packed標(biāo)記進(jìn)行修飾，將得到一個(gè)奇怪的0x01000302;而在添加了__packed關(guān)鍵字之后，就得到了正確的結(jié)果。也就是說(shuō)，如果要訪問(wèn)非自然對(duì)齊的數(shù)據(jù)，必須使用__packed關(guān)鍵字顯式地標(biāo)記出來(lái)。

ARM編譯器總是保證程序中的變量、結(jié)構(gòu)體或聯(lián)合中的域分配到自然對(duì)齊的地址。這意味著編譯器經(jīng)常需要在各個(gè)域之間插入填充，以確保每個(gè)域的自然對(duì)齊。通常來(lái)說(shuō)，程序員可以對(duì)這些填充視而不見(jiàn)，但是也有例外，例如為了節(jié)省結(jié)構(gòu)體占用的空間，可以利用__packed去除填充。在了解了編譯器的填充行為之后，可以通過(guò)調(diào)整域的順序來(lái)減小結(jié)構(gòu)體占用的空間。例如雖然結(jié)構(gòu)體s1和s2的域相同，但是sizeof(s1)等于16，而sizeof(s2)等于 12。