如何編寫優(yōu)質(zhì)嵌入式C程序

本文面向的，正是使用單片機、ARM7、Cortex-M3這類微控制器的編程人員。

C語言詭異且有種種陷阱和缺陷，需要程序員多年歷練才能達到較為完善的地步。

總是有大批的初學(xué)者，前仆后繼的倒在這些陷阱和缺陷上，民用設(shè)備、工業(yè)設(shè)備甚至是航天設(shè)備都不例外。本文將結(jié)合具體例子再次審視它們，希望引起足夠重視。深入理解C語言特性，是編寫優(yōu)質(zhì)嵌入式C程序的基礎(chǔ)。

由于篇幅限制，后續(xù)再推送編譯器、防御性編程、測試和編程思想這幾個方面的內(nèi)容，來討論如何編寫優(yōu)質(zhì)嵌入式C程序。

1 處處都是陷阱

1.1 無心之過

1) “=”和”==”

將比較運算符”==”誤寫成賦值運算符”=”，可能是絕大多數(shù)人都遇到過的，比如下面代碼：

if(x=5){//其它代碼   }

代碼的本意是比較變量x是否等于常量5，但是誤將”==”寫成了”=”，if語句恒為真。如果在邏輯判斷表達式中出現(xiàn)賦值運算符，現(xiàn)在的大多數(shù)編譯器會給出警告信息。比如keil MDK會給出警告提示：“warning: #187-D: use of "=" where"==" may have been intended”，但并非所有程序員都會注意到這類警告，因此有經(jīng)驗的程序員使用下面的代碼來避免此類錯誤：

if(5==x){//其它代碼}

將常量放在變量x的左邊，即使程序員誤將’==’寫成了’=’，編譯器會產(chǎn)生一個任誰也不能無視的語法錯誤信息：不可給常量賦值！

2) 復(fù)合賦值運算符

復(fù)合賦值運算符（+=、*=等等）雖然可以使表達式更加簡潔并有可能產(chǎn)生更高效的機器代碼，但某些復(fù)合賦值運算符也會給程序帶來隱含Bug，比如”+=”容易誤寫成”=+”，代碼如下：

tmp=+1;

代碼本意是想表達tmp=tmp+1，但是將復(fù)合賦值運算符”+=”誤寫成”=+”：將正整數(shù)常量1賦值給變量tmp。編譯器會欣然接受這類代碼，連警告都不會產(chǎn)生。

如果你能在調(diào)試階段就發(fā)現(xiàn)這個Bug，真應(yīng)該慶祝一下，否則這很可能會成為一個重大隱含Bug，且不易被察覺。

復(fù)合賦值運算符”-=”也有類似問題存在。

3) 其它容易誤寫

• 使用了中文標(biāo)點
• 頭文件聲明語句最后忘記結(jié)束分號
• 邏輯與&&和位與&、邏輯或||和位或|、邏輯非！和位取反~
• 字母l和數(shù)字1、字母O和數(shù)字0

這些誤寫其實容易被編譯器檢測出，只需要關(guān)注編譯器對此的提示信息，就能很快解決。

1.2 數(shù)組下標(biāo)

數(shù)組常常也是引起程序不穩(wěn)定的重要因素，C語言數(shù)組的迷惑性與數(shù)組下標(biāo)從0開始密不可分，你可以定義int test[30]，但是你絕不可以使用數(shù)組元素test [30]，除非你自己明確知道在做什么。

1.3 容易被忽略的break關(guān)鍵字

1) 不能漏加的break

switch…case語句可以很方便的實現(xiàn)多分支結(jié)構(gòu)，但要注意在合適的位置添加break關(guān)鍵字。程序員往往容易漏加break從而引起順序執(zhí)行多個case語句，這也許是C的一個缺陷之處。

對于switch…case語句，從概率論上說，絕大多數(shù)程序一次只需執(zhí)行一個匹配的case語句，而每一個這樣的case語句后都必須跟一個break。去復(fù)雜化大概率事件，這多少有些不合常情。

2) 不能亂加的break

break關(guān)鍵字用于跳出最近的那層循環(huán)語句或者switch語句，但程序員往往不夠重視這一點。

1990年1月15日，AT&T電話網(wǎng)絡(luò)位于紐約的一臺交換機宕機并且重啟，引起它鄰近交換機癱瘓，由此及彼，一個連著一個，很快，114型交換機每六秒宕機重啟一次，六萬人九小時內(nèi)不能打長途電話。

當(dāng)時的解決方式：工程師重裝了以前的軟件版本。。。事后的事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這是break關(guān)鍵字誤用造成的。《C專家編程》提供了一個簡化版的問題源碼：

那個程序員希望從if語句跳出，但他卻忘記了break關(guān)鍵字實際上跳出最近的那層循環(huán)語句或者switch語句?，F(xiàn)在它跳出了switch語句，執(zhí)行了use_modes_pointer()函數(shù)。但必要的初始化工作并未完成，為將來程序的失敗埋下了伏筆。

1.4 意想不到的八進制

將一個整形常量賦值給變量，代碼如下所示：

int a=34, b=034;

變量a和b相等嗎？

答案是不相等的。我們知道，16進制常量以’0x’為前綴，10進制常量不需要前綴，那么8進制呢？它與10進制和16進制表示方法都不相同，它以數(shù)字’0’為前綴，這多少有點奇葩：三種進制的表示方法完全不相同。

如果8進制也像16進制那樣以數(shù)字和字母表示前綴的話，或許更有利于減少軟件Bug，畢竟你使用8進制的次數(shù)可能都不會有誤使用的次數(shù)多！下面展示一個誤用8進制的例子，最后一個數(shù)組元素賦值錯誤：

a[0]=106;       /*十進制數(shù)106*/ a[1]=112;      /*十進制數(shù)112*/ a[2]=052;       /*實際為十進制數(shù)42，本意為十進制52*/

1.5指針加減運算

**指針的加減運算是特殊的。**下面的代碼運行在32位ARM架構(gòu)上，執(zhí)行之后，a和p的值分別是多少？

int a=1;int *p=(int *)0x00001000;a=a+1;p=p+1;

對于a的值很容判斷出結(jié)果為2，但是p的結(jié)果卻是0x00001004。指針p加1后，p的值增加了4，這是為什么呢？原因是指針做加減運算時是以指針的數(shù)據(jù)類型為單位。p+1實際上是按照公式p+1*sizeof(int)來計算的。不理解這一點，在使用指針直接操作數(shù)據(jù)時極易犯錯。

某項目使用下面代碼對連續(xù)RAM初始化零操作，但運行發(fā)現(xiàn)有些RAM并沒有被真正清零。

通過分析我們發(fā)現(xiàn)，由于pRAMaddr是一個無符號int型指針變量，所以pRAMaddr+=4代碼其實使pRAMaddr偏移了4*sizeof(int)=16個字節(jié)，所以每執(zhí)行一次for循環(huán)，會使變量pRAMaddr偏移16個字節(jié)空間，但只有4字節(jié)空間被初始化為零。其它的12字節(jié)數(shù)據(jù)的內(nèi)容，在大多數(shù)架構(gòu)處理器中都會是隨機數(shù)。

1.6關(guān)鍵字sizeof

不知道有多少人最初認為sizeof是一個函數(shù)。其實它是一個關(guān)鍵字，其作用是返回一個對象或者類型所占的內(nèi)存字節(jié)數(shù)，對絕大多數(shù)編譯器而言，返回值為無符號整形數(shù)據(jù)。需要注意的是，使用sizeof獲取數(shù)組長度時，不要對指針應(yīng)用sizeof操作符，比如下面的例子：

void ClearRAM(char array[]){int i ;for(i=0;i     {array[i]=0x00;     } }
int main(void){char Fle[20];
     ClearRAM(Fle);          //只能清除數(shù)組Fle中的前四個元素   }

我們知道，對于一個數(shù)組array[20]，我們使用代碼sizeof(array)/sizeof(array[0])可以獲得數(shù)組的元素（這里為20），但數(shù)組名和指針往往是容易混淆的，有且只有一種情況下數(shù)組名是可以當(dāng)做指針的，那就是**數(shù)組名作為函數(shù)形參時，數(shù)組名被認為是指針，同時，它不能再兼任數(shù)組名。

**注意只有這種情況下，數(shù)組名才可以當(dāng)做指針，但不幸的是這種情況下容易引發(fā)風(fēng)險。在ClearRAM函數(shù)內(nèi)，作為形參的array[]不再是數(shù)組名了，而成了指針。sizeof(array)相當(dāng)于求指針變量占用的字節(jié)數(shù)，在32位系統(tǒng)下，該值為4，sizeof(array)/sizeof(array[0])的運算結(jié)果也為4。所以在main函數(shù)中調(diào)用ClearRAM(Fle)，也只能清除數(shù)組Fle中的前四個元素了。

1.7增量運算符’++’和減量運算符‘--‘

增量運算符”++”和減量運算符”--“既可以做前綴也可以做后綴。**前綴和后綴的區(qū)別在于值的增加或減少這一動作發(fā)生的時間是不同的。**作為前綴是先自加或自減然后做別的運算，作為后綴時，是先做運算，之后再自加或自減。許多程序員對此認識不夠，就容易埋下隱患。下面的例子可以很好的解釋前綴和后綴的區(qū)別。

int a=8,b=2,y;y=a+++--b;

代碼執(zhí)行后，y的值是多少？

這個例子并非是挖空心思設(shè)計出來專門讓你絞盡腦汁的C難題（如果你覺得自己對C細節(jié)掌握很有信心，做一些C難題檢驗一下是個不錯的選擇。那么，《The C Puzzle Book》這本書一定不要錯過），你甚至可以將這個難懂的語句作為不友好代碼的例子。但是它也可以讓你更好的理解C語言。根據(jù)運算符優(yōu)先級以及編譯器識別字符的貪心法原則，第二句代碼可以寫成更明確的形式：

y=(a++)+(--b);

當(dāng)賦值給變量y時，a的值為8，b的值為1,所以變量y的值為9；賦值完成后，變量a自加，a的值變?yōu)?，千萬不要以為y的值為10。這條賦值語句相當(dāng)于下面的兩條語句：

y=a+(--b);a=a+1;

1.8邏輯與’&&’和邏輯或’||’的陷阱

為了提高系統(tǒng)效率，邏輯與和邏輯或操作的規(guī)定如下：**如果對第一個操作數(shù)求值后就可以推斷出最終結(jié)果，第二個操作數(shù)就不會進行求值！**比如下面代碼：

if((i>=0)&&(i++ <=max)) {//其它代碼   }

在這個代碼中，只有當(dāng)i>=0時，i++才會被執(zhí)行。這樣，i是否自增是不夠明確的，這可能會埋下隱患。邏輯或與之類似。

1.9結(jié)構(gòu)體的填充

結(jié)構(gòu)體可能產(chǎn)生填充，因為對大多數(shù)處理器而言，訪問按字或者半字對齊的數(shù)據(jù)速度更快，當(dāng)定義結(jié)構(gòu)體時，編譯器為了性能優(yōu)化，可能會將它們按照半字或字對齊，這樣會帶來填充問題。比如以下兩個個結(jié)構(gòu)體：

第一個結(jié)構(gòu)體：

struct {char  c；short s；int   x； }str_test1;

第二個結(jié)構(gòu)體：

struct {char  c；int   x；short s； }str_test2;

這兩個結(jié)構(gòu)體元素都是相同的變量，只是元素換了下位置，那么這兩個結(jié)構(gòu)體變量占用的內(nèi)存大小相同嗎？

其實這兩個結(jié)構(gòu)體變量占用的內(nèi)存是不同的，對于Keil MDK編譯器，默認情況下第一個結(jié)構(gòu)體變量占用8個字節(jié)，第二個結(jié)構(gòu)體占用12個字節(jié)，差別很大。第一個結(jié)構(gòu)體變量在內(nèi)存中的存儲格式如下圖所示：

第二個結(jié)構(gòu)體變量在內(nèi)存中的存儲格式如下圖所示。對比兩個圖可以看出MDK編譯器是是怎么將數(shù)據(jù)對齊的，這其中的填充內(nèi)容是之前內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，是隨機的，所以不能在結(jié)構(gòu)之間逐字節(jié)比較；另外，合理的排布結(jié)構(gòu)體內(nèi)的元素位置，可以最大限度減少填充，節(jié)省RAM。

2 不可輕視的優(yōu)先級

C語言有32個關(guān)鍵字，卻有34個運算符。要記住所有運算符的優(yōu)先級是困難的。稍不注意，你的代碼邏輯和實際執(zhí)行就會有很大出入。

比如下面將BCD碼轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)的代碼：

 result=(uTimeValue>>4)*10+uTimeValue&0x0F;

這里uTimeValue存放的BCD碼，想要轉(zhuǎn)換成16進制數(shù)據(jù)，實際運行發(fā)現(xiàn)，如果uTimeValue的值為0x23，按照我設(shè)定的邏輯，result的值應(yīng)該是0x17，但運算結(jié)果卻是0x07。經(jīng)過種種排查后，才發(fā)現(xiàn)’+’的優(yōu)先級是大于’&’的，相當(dāng)于(uTimeValue>>4)*10+uTimeValue與0x0F位與，結(jié)果自然與邏輯不符。符合邏輯的代碼應(yīng)該是：

 result=(uTimeValue>>4)*10+(uTimeValue&0x0F);

不合理的#define會加重優(yōu)先級問題，讓問題變得更加隱蔽。

編譯器在編譯后將宏帶入,原代碼語句變?yōu)?

if(IO0PIN&(1<<11) ==(1<<11)) {//其它代碼    }

運算符'=='的優(yōu)先級是大于'&'的，代碼IO0PIN&(1<<11) ==(1<<11))等效為IO0PIN&0x00000001：判斷端口P0.0是否為高電平，這與原意相差甚遠。因此，使用宏定義的時候，最好將被定義的內(nèi)容用括號括起來。

按照常規(guī)方式使用時，可能引起誤會的運算符還有很多，如下表所示。C語言的運算符當(dāng)然不會只止步于數(shù)目繁多！

有一個簡便方法可以避免優(yōu)先級問題：不清楚的優(yōu)先級就加上”()”，但這樣至少有會帶來兩個問題：

• 過多的括號影響代碼的可讀性，包括自己和以后的維護人員
• 別人的代碼不一定用括號來解決優(yōu)先級問題，但你總要讀別人的代碼

無論如何，在嵌入式編程方面，該掌握的基礎(chǔ)知識，偷巧不得。建議花一些時間，將優(yōu)先級順序以及容易出錯的優(yōu)先級運算符理清幾遍。

隱式轉(zhuǎn)換

C語言的設(shè)計理念一直被人吐槽，因為它認為C程序員完全清楚自己在做什么，其中一個證據(jù)就是隱式轉(zhuǎn)換。C語言規(guī)定，**不同類型的數(shù)據(jù)（比如char和int型數(shù)據(jù)）需要轉(zhuǎn)換成同一類型后，才可進行計算。

**如果你混合使用類型，比如用char類型數(shù)據(jù)和int類型數(shù)據(jù)做減法，C使用一個規(guī)則集合來自動（隱式的）完成類型轉(zhuǎn)換。這可能很方便，但也很危險。

這就要求我們理解這個轉(zhuǎn)換規(guī)則并且能應(yīng)用到程序中去！

1. 當(dāng)出現(xiàn)在表達式里時，有符號和無符號的char和short類型都將自動被轉(zhuǎn)換為int類型，在需要的情況下，將自動被轉(zhuǎn)換為unsigned int（在short和int具有相同大小時）。這稱為類型提升。

提升在算數(shù)運算中通常不會有什么大的壞處，但如果位運算符 ~ 和 << 應(yīng)用在基本類型為unsigned char或unsigned short 的操作數(shù)，結(jié)果應(yīng)該立即強制轉(zhuǎn)換為unsigned char或者unsigned short類型（取決于操作時使用的類型）。

uint8_t  port =0x5aU;uint8_t  result_8;result_8= (~port) >> 4;

假如我們不了解表達式里的類型提升，認為在運算過程中變量port一直是unsigned char類型的。我們來看一下運算過程：~port結(jié)果為0xa5，0xa5>>4結(jié)果為0x0a，這是我們期望的值。

但實際上，result_8的結(jié)果卻是0xfa！在ARM結(jié)構(gòu)下，int類型為32位。變量port在運算前被提升為int類型：~port結(jié)果為0xffffffa5，0xa5>>4結(jié)果為0x0ffffffa，賦值給變量result_8，發(fā)生類型截斷（這也是隱式的?。?，result_8=0xfa。經(jīng)過這么詭異的隱式轉(zhuǎn)換，結(jié)果跟我們期望的值，已經(jīng)大相徑庭！正確的表達式語句應(yīng)該為：

result_8=(unsigned char) (~port) >> 4;             /*強制轉(zhuǎn)換*/

2. 在包含兩種數(shù)據(jù)類型的任何運算里，兩個值都會被轉(zhuǎn)換成兩種類型里較高的級別。類型級別從高到低的順序是long double、double、float、unsigned long long、long long、unsigned long、long、unsigned int、int。

這種類型提升通常都是件好事，但往往有很多程序員不能真正理解這句話，比如下面的例子（int類型表示16位）。

uint16_t  u16a = 40000;             /* 16位無符號變量*/uint16_t  u16b= 30000;           /*16位無符號變量*/uint32_t  u32x;                   /*32位無符號變量 */uint32_t  u32y; u32x = u16a +u16b;                 /* u32x = 70000還是4464 ? */ u32y =(uint32_t)(u16a + u16b);    /* u32y = 70000 還是4464 ? */

u32x和u32y的結(jié)果都是4464（70000%65536）！不要認為表達式中有一個高類別uint32_t類型變量，編譯器都會幫你把所有其他低類別都提升到uint32_t類型。正確的書寫方式：

u32x = (uint32_t)u16a +(uint32_t)u16b;      //或者： u32x = (uint32_t)u16a + u16b;

后一種寫法在本表達式中是正確的，但是在其它表達式中不一定正確，比如：

uint16_t u16a,u16b,u16c;uint32_t  u32x; u32x= u16a + u16b + (uint32_t)u16c;/*錯誤寫法，u16a+ u16b仍可能溢出 */

3. 在賦值語句里，計算的最后結(jié)果被轉(zhuǎn)換成將要被賦予值的那個變量的類型。這一過程可能導(dǎo)致類型提升也可能導(dǎo)致類型降級。降級可能會導(dǎo)致問題。比如將運算結(jié)果為321的值賦值給8位char類型變量。程序必須對運算時的數(shù)據(jù)溢出做合理的處理。很多其他語言，像Pascal（C語言設(shè)計者之一曾撰文狠狠批評過Pascal語言），都不允許混合使用類型，但C語言不會限制你的自由，即便這經(jīng)常引起B(yǎng)ug。

4. 當(dāng)作為函數(shù)的參數(shù)被傳遞時，char和short會被轉(zhuǎn)換為int，float會被轉(zhuǎn)換為double。

當(dāng)不得已混合使用類型時，一個比較好的習(xí)慣是使用類型強制轉(zhuǎn)換。強制類型轉(zhuǎn)換可以避免編譯器隱式轉(zhuǎn)換帶來的錯誤，同時也向以后的維護人員傳遞一些有用信息。這有個前提：你要對強制類型轉(zhuǎn)換有足夠的了解！下面總結(jié)一些規(guī)則：

• 并非所有強制類型轉(zhuǎn)換都是由風(fēng)險的，把一個整數(shù)值轉(zhuǎn)換為一種具有相同符號的更寬類型時，是絕對安全的。
• 精度高的類型強制轉(zhuǎn)換為精度低的類型時，通過丟棄適當(dāng)數(shù)量的最高有效位來獲取結(jié)果，也就是說會發(fā)生數(shù)據(jù)截斷，并且可能改變數(shù)據(jù)的符號位。
• 精度低的類型強制轉(zhuǎn)換為精度高的類型時，如果兩種類型具有相同的符號，那么沒什么問題；需要注意的是負的有符號精度低類型強制轉(zhuǎn)換為無符號精度高類型時，會不直觀的執(zhí)行符號擴展，例如：

unsigned int bob;signed char fred = -1; bob=(unsigned int )fred;    /*發(fā)生符號擴展，此時bob為0xFFFFFFFF*/