在嵌入式软件编程中深入理解关键字

引 言

    计算机编程语言的关键字就好比是它的灵魂，只有深入理解了它们的含义才能编写出优秀的代码。C语言以其简洁、高效和强大等特性成为嵌入式软件编程的首选语言，但是某些关键字，例如const、static、extern和volatile等，在不同的场合具有不同的含义，而且某些用法晦涩难懂，为此本文详细介绍这些关键字的用法及其背后的原理。

1 const

    const限定的对象表示编译器可以将它放在只读存储器中，也就意味着在对其进行初始化之后就不能改变它的值。根据const使用的不同场合，大致可以分为三种情况，其一限定普通变量，其二限定函数参数，其三限定指针变量。

    第一和第二种情况最为简单，语句①和语句②分别展示了它的用法。语句①定义了一个值为10的整型常量。语句②中的const表示在函数体中不能修改src指向的区域中的数据，这与函数的拷贝功能相对应，只做它应该做的事情而不应该有其他副作用，编译器可以利用这些信息进行适当的优化。

    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种情况最为复杂，虽然只是const位置不同，但是却可能具有完全不同的意义。一般，一个声明语句由声明说明符(decl-specifier)和一系列声明子(declarator)两部分组成，而且声明说明符中的符号可以以任何次序出现。理解声明的第一步是定位说明符和声明子的边界。这很容易：所有的说明符都是关键字或者类型名，因此说明符终止于第一个不是以上类型之一的符号。例如，在语句③和④中第一个既不是关键字也不是类型名的符号是“*”，即声明说明符分别为const．int和int const，由于声明说明符中的符号可以以任意次序出现，因此语句③和④的含义是相同的。

    为了迅速弄清语句表达的含义，参考文献[1]介绍了一种简便的方法，其要点就是“逆序读出定义”，如图1所示。

2 static与extem

    static的含义随着出现位置(全局变量还是局部变量)和修饰对象(变量还是函数)的不同而有很大的差别。下面各条目中的模块指的是一个源文件或者一个翻译单元：

    ①位于函数体中的静态变量在多次函数调用间会维持其值。

    ②位于模块内(但在函数体外)的静态变量可以被模块内的所有函数访问，但不能被模块外其他函数访问。也就是说，它是一个本地的全局变量。

    ③位于模块内的静态函数只能被此模块内的其他函数调用。也就是说，这个函数的作用域为声明所在的模块。

   
    为了清楚地理解static的3种用法，必须首先了解C语言中每个标识符都具有的作用域、链接和存储持续期等特性的含义。在ISO C99标准中，其定义如下：

    ①对象的作用域指的是它仅在程序的某个区域中是可见的(即可以使用)。常见的作用域有文件作用域和块作用域。

    ②对象的存储持续期决定对象的生命周期，即在程序执行某段区间中为对象保留存储区。有两种类型的存储持续期：静态的和自动的。静态存储持续期的对象的生命周期为程序执行的全过程，它的值在程序启动前仅初始化一次。

    ③链接指的是在不同作用域中声明的或者同一个作用域中多次声明的标识符可以引用相同的对象或函数。有3种类型的链接：外部、内部和无。在情况②和③中，static分别用来修饰全局变量glob-al和函数foo，改变它们的链接特性，使它们具有内部链接。也就是说，只有在定义它们的翻译单元或者文件内才能使用它们，这对于创建模块化的软件非常重要。

    与static相反，extern修饰的对象或函数具有外部链接。对于那些暴露给外部使用的接口函数应该使用ex-tern限定，那些非接口函数，例如工具函数或与实现细节相关的函数，则应该显式地使用static限定。这是因为如果函数声明不带任何存储类说明符，那么它具有外部链接就好像使用了extern一样。

    在情况①中，static用来修饰局部变量local，将local的存储持续期由自动的改变为静态的，这样在foo函数的多次调用间会为其保留值。注意作用域、链接和存储持续期特性之间是正交的。例如在情况①中，虽然变量local的存储持续期变成静态的，但是它的作用域仍然是块作用域。

3 volatile

    volatile关键字用来声明这样的对象，它们的值可能由于程序控制之外的事件而被潜在改变。volatile强制编译器不会对其所限定的对象进行任何优化，每次读写都必须访问实际的存储器而不能使用寄存器中的副本。在实践中，它大量的用来描述一个对应于内存映射的输入／输出端口，例如飞利浦公司LPC21xx系列ARM处理器的向量地址寄存器定义为：

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

    其次，中断服务例程中使用的非自动变量或者多线程应用程序中多个任务共享的变量也必须使用volatile进行限定。例如在下面的示例中，如果没有使用volatile限定g_Flag变量，编译器看到在foo函数中并没有修改g_Flag，可能只执行一次g_Flag读操作并将g_Flag的值缓存在寄存器中，以后每次g_Flag读操作都使用寄存器中的缓存值而不进行存储器访问，导致some_action函数永远无法执行。

4 Dacked

    在嵌入式软件编程中，经常需要精确控制结构体在内存中的布局和访问非自然对齐的数据，但是C语言标准中并没有统一的规定而是留给编译器厂商自行处理。在ARM C编译器中，使用__packed关键字将任何类型的对齐设置为1字节。在实践中，__packed主要有两个功能：其一，当它修饰指针时，表示此指针指向的地址是非自然对齐的，编译器会生成特殊的代码以确保获得正确的结果；其二，当它修饰结构体、联合或它们中的域时，可以用来创建没有填充的结构。

    与其他RISC架构一样，ARM处理器能够高效地访问对齐的数据，即字地址的末尾两位为零，半字地址的最后一位为零，也称这样的数据位于它的自然大小边界或者是自然对齐的。ARM编译器希望普通的“C”指针指向一个4字节对齐内存地址，这样它可以在代码中使用LDR／STR指令一次操作4个字节，否则只能使用LDRB／LDRH等字节／半字操作指令。相反如果指针指向一个非自然对齐的地址，例如如果一个整型指针指向地址0x8006，当然希望装载地址0xS006-0xS007-0x8008-0xS009处的数据，但是实际上ARM会对非自然对齐的地址进行转换而从装载地址0xS004-0xS005-0x8006-0xS007处的数据。在下面的示例中(测试环境为uVision3)，首先定义了一个大小为16字节的整型数组，依次初始化为0，1，2，…，15。由于array是一个整型数组，编译器会确保它是4字节对齐的，即指针pc指向一个4字节对齐的地址。运行程序后，可以看到如果对pc指针不加__packed标记进行修饰，将得到一个奇怪的0x01000302；而在添加了__packed关键字之后，就得到了正确的结果。也就是说，如果要访问非自然对齐的数据，必须使用__packed关键字显式地标记出来。

    ARM编译器总是保证程序中的变量、结构体或联合中的域分配到自然对齐的地址。这意味着编译器经常需要在各个域之间插入填充，以确保每个域的自然对齐。通常来说，程序员可以对这些填充视而不见，但是也有例外，例如为了节省结构体占用的空间，可以利用__packed去除填充。在了解了编译器的填充行为之后，可以通过调整域的顺序来减小结构体占用的空间。例如虽然结构体s1和s2的域相同，但是sizeof(s1)等于16，而sizeof(s2)等于12。