來源：嵌入式大雜燴

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。對于這個話題還有些點沒有深入探討：為什么要這樣做？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++）的小伙伴們，常常在一個項目里為了圖省事，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，這意味著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，其范圍（生命周期）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，這是由于解釋性語言是讀取》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，就意味著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

為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，字寬即為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，來了個中斷！中斷一來，CPU趕緊把手里的活兒停下來，奔過去處理中斷了，不巧在中斷函數里，該變量因業務需求有需要寫這個變量有經驗的不這么寫，僅為了方便說明：

舉個栗子，還是以之前文章的傳感器為例，實際應用中傳感器可能是下面這樣的數據結構來描述：

#ifndef _SENSOR_H_#define _SENSOR_H_typedef struct _t_sensor{ /* 測量值與測量范圍及單位有關 */ float value; /* 測量范圍，根據采樣值映射 */ 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范圍及單位，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范圍。

測量更新模塊根據當前范圍及單位配置，將傳感器采集到的數據映射為測量值。

這些需求用例，用圖描述一下：

比如用戶操作HMI界面正改寫溫度范圍，而此時遠程上位機也正改寫溫度范圍，按上面這個做法，可能出現哪些邪惡的后果呢？

通過LCD界面寫入上限為300.5（假定原下限為0），此時遠程串口報文收到，程序直接在中斷服務程序將范圍修改為（-100，200.5），此時中斷返回，用戶可能接著修改下限為-200，則最終設備內的溫度范圍可能既不是（-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，然后中斷返回后繼續寫入剩下字節，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，上限改寫為200.5（0x43488000），此時繼續執行后面兩個字節寫入，則上限變成為（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寫范圍時關中斷嘛。誠然，可以這么做：

void hmi_operate（）{ /*關中斷*/ _disable_interrupt（）; /*改寫溫度范圍*/ 。。.。 /*開中斷*/ _enable_interrupt（）;}

但是如果這個全局變量有很多地方在改寫，為了數據安全，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，群魔亂舞，代碼也不易維護。想加點東西，改點東西可能隨處都是坑，一不小心就掉坑里去了！

初學者甚至不會用struct將相關的數據包在一起，其結果是代碼里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復雜的代碼，數據信息流向一團亂麻。

裸機程序策略對于上面這樣一個應用場景，怎么解決這種混亂的現象呢。這里分享一下我的思路，這里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，由于是裸機前后臺程序，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（）; /*可能是周期性調用*/ if（timer_100ms） { timer_100ms = 0; update_temperature（）; } 。。.。 } }

那么uart協議解析要怎么做呢？

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，啟動中斷傳輸*/}/*提供應答數據接口*/void reply_temperature_setting（T_SENSOR sensor）{ /*解析傳入參數并封裝應答報文*/}

如此一來，數據流向將變得很清晰，串口接收到數據更新范圍配置時，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。

對于測量模塊的set函數思路稍做說明：

int set_upper_range（float range）{ T_SENSOR temp = temperature; temp.upper_range = range; /*實現范圍合理性檢查*/ 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里，普通模式運行程序與中斷服務程序對于臨界資源的競爭。事實上現在不管是單片機，還是處理器，大多都是基于一個操作系統進行應用開發。甚至還可能是多核芯片，這里就存在并發競爭訪問資源的問題。

臨界資源：各任務/線程采取互斥的方式，實現共享的資源稱作臨界資源。屬于臨界資源的硬件串口打印、顯示等，軟件有消息緩沖隊列、變量、數組、緩沖區等。多任務/線程間應采取互斥方式，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內核中為應對多核并發訪問還有自旋鎖機制。由于篇幅所限，本文就不做展開了，先挖個坑，以后有機會再分享吧。

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為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。