何為變量？

變量一般可以細(xì)分為如下圖：

本節(jié)重點為了讓大家理解內(nèi)存模型的“棧”，暫時不考慮“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？

簡單直觀的來說，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

單片機內(nèi)存包括ROM和RAM 兩部分，ROM存儲的是單片機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，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，一個房間的地址只能你一個人住（假設(shè)你還是單身狗的時候），而且是永久的(sorry)，所以說每個全局變量都有唯一對應(yīng)的 RAM 地址， 不可能重復(fù)的。

棧就像客棧， 一年下來每天晚上住的人不一樣，每個人在里面居住的時間是有期限的，不是長久的，一個房間的地址一年下來每天可能住進不同的人，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)用的時候，該函數(shù)內(nèi)部的每個局部變量就會被分配對應(yīng)到棧的某個RAM 地址，函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，該局部變量就失效。

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

舉例借用“賓館客棧”來比喻局部變量所在的“棧”。

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， 此時的局部變量 a 開始被分配在 RAM的“棧區(qū)” 的某個地址， 相當(dāng)于你入住賓館被分配到某個房間。

單片機執(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。

此時相當(dāng)于你離開賓館，從此你跟那個賓館的房間沒有啥關(guān)系， 你原來在賓館入住的那個房間會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居住的客棧。

總結(jié)如下

每定義一個新的全局變量，就意味著多開銷一個新的RAM 內(nèi)存。而每定義一個局部變量，只要在函數(shù)內(nèi)部所定義的局部變量總數(shù)不超過單片機的棧區(qū)，此時的局部變量不開銷新的 RAM內(nèi)存， 因為局部變量是臨時借用棧的， 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)若干個不同的函數(shù)內(nèi)部的局部變量。

單片機每次進入執(zhí)行函數(shù)時，局部變量都會被初始化改變，而全局變量則不會被初始化， 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)是誰在幕后分配的， 怎么分配的？

是C編譯器自動分配的， 至于怎么分配，誰分配多一點，誰分配少一點，C 編譯器會有一個默認(rèn)的比例分配， 我們一般都不用管。

棧區(qū)是臨時借用的，子函數(shù)被調(diào)用的時候，它內(nèi)部的局部變量才會“臨時” 被分配到“棧” 區(qū)的某個地址，那么問題來了，誰在幕后主持“棧區(qū)” 這些分配的工作？

單片機已經(jīng)上電開始運行程序的時候，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，確實是 C 編譯器做的，但這是在單片機上電前。

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，都指定了如果某個函數(shù)一旦被調(diào)用，該函數(shù)內(nèi)部的哪個局部變量應(yīng)該分到“棧區(qū)” 的哪個地址，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。

等單片機上電開始工作的時候，雖然C編譯器此時不在了，但是單片機都是嚴(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“臨時分配” 非真正嚴(yán)格意義上的“臨時分配”。

函數(shù)內(nèi)部所定義的局部變量總數(shù)不超過單片機的“棧” 區(qū)的 RAM 數(shù)量， 那， 萬一超過了“棧” 區(qū)的 RAM數(shù)量， 后果嚴(yán)重嗎？

這種情況專業(yè)術(shù)語叫爆棧。程序會出現(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“爆棧” 的情況，會好心跟你提醒讓你編譯不過去，但是也有一些 C 編譯器可能就不會給你提醒，所以大家以后做項目寫函數(shù)的時候，要對爆棧心存敬畏。

全局變量和局部變量的優(yōu)先級

剛才說到，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。

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

這個問題就涉及到優(yōu)先級。

注意，當(dāng)面對同名的局部變量和全局變量時，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)先級高。

我們來舉一些例子

請看下面第一個例子

unsignedchara=5;//此處第1個a是全局變量

voidmain()//主函數(shù)
{
unsignedchara=2;//此處第2個a是局部變量,跟上面全局變量的第1個a重名了
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。在函數(shù)內(nèi)部的局部變量比全局變量的優(yōu)先級更加高。

雖然這里的兩個a重名了， 但是它們的內(nèi)存模型不一樣，第1個全局變量的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個局部變量的a是被分配在臨時的棧區(qū)的，寄生在 main 函數(shù)內(nèi)部。

再看下面第二個例子

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

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

voidmain()//主函數(shù)
{
 unsigned char a=2;//此處第 3 個 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。因為，function這個子函數(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個局部變量 a)是在執(zhí)行 print(a)語句的時候就消亡不存在了， 所以此時print(a)的a是第3個局部變量的a（在 main 函數(shù)內(nèi)部定義的局部變量的 a）。

再看下面第三個例子

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

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

voidmain()//主函數(shù)
{
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5。因為function這個子函數(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個局部變量)是在執(zhí)行function(a)語句的時候就消亡不存在了。

同時，因為此時main函數(shù)內(nèi)部也沒有定義a的局部變量，所以此時function(a)的a是必然只能是第1個全局變量的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)對棧有了一些基礎(chǔ)的認(rèn)識，在嵌入式編程中，我們也要時刻注意，避免爆棧；如果有錯誤歡迎指出，我們下一期，再見。