編寫優(yōu)質嵌入式C程序的基礎

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。

總是有大批的初學者，前仆后繼的倒在這些陷阱和缺陷上，民用設備、工業(yè)設備甚至是航天設備都不例外。本文將結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)質嵌入式C程序的基礎。

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容，來討論如何編寫優(yōu)質嵌入式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) 復合賦值運算符

復合賦值運算符（+=、*=等等）雖然可以使表達式更加簡潔并有可能產生更高效的機器代碼，但某些復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，連警告都不會產生。

如果你能在調試階段就發(fā)現(xiàn)這個Bug，真應該慶祝一下，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

• 使用了中文標點
• 頭文件聲明語句最后忘記結束分號
• 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，只需要關注編譯器對此的提示信息，就能很快解決。

1.2 數(shù)組下標

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)多分支結構，但要注意在合適的位置添加break關鍵字。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電話網絡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，六萬人九小時內不能打長途電話。

當時的解決方式：工程師重裝了以前的軟件版本。。。事后的事故調查發(fā)現(xiàn)，這是break關鍵字誤用造成的?！禖專家編程》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的值很容判斷出結果為2，但是p的結果卻是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)的內容，在大多數(shù)架構處理器中都會是隨機數(shù)。

1.6關鍵字sizeof

不知道有多少人最初認為sizeof是一個函數(shù)。其實它是一個關鍵字，其作用是返回一個對象或者類型所占的內存字節(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，不要對指針應用sizeof操作符，比如下面的例子：

void ClearRAM(char array[])
{
int i ;
for(i=0;i<sizeof(array)/sizeof(array[0]);i++)//這里用法錯誤，array實際上是指針
     {
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)組名才可以當做指針，但不幸的是這種情況下容易引發(fā)風險。在ClearRAM函數(shù)內，作為形參的array[]不再是數(shù)組名了，而成了指針。sizeof(array)相當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])的運算結果也為4。所以在main函數(shù)中調用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結構體的填充

結構體可能產生填充，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，當定義結構體時，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。比如以下兩個個結構體：

第一個結構體：

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

第二個結構體：

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

這兩個結構體元素都是相同的變量，只是元素換了下位置，那么這兩個結構體變量占用的內存大小相同嗎？

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

第二個結構體變量在內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，這其中的填充內容是之前內存中的數(shù)據(jù)，是隨機的，所以不能在結構之間逐字節(jié)比較；另外，合理的排布結構體內的元素位置，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，按照我設定的邏輯，result的值應該是0x17，但運算結果卻是0x07。經過種種排查后，才發(fā)現(xiàn)’+’的優(yōu)先級是大于’&’的，相當于(uTimeValue>>4)*10+uTimeValue與0x0F位與，結果自然與邏輯不符。符合邏輯的代碼應該是：

 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。

隱式轉換

C語言的設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）完成類型轉換。這可能很方便，但也很危險。

這就要求我們理解這個轉換規(guī)則并且能應用到程序中去！

1. 當出現(xiàn)在表達式里時，有符號和無符號的char和short類型都將自動被轉換為int類型，在需要的情況下，將自動被轉換為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 << 應用在基本類型為unsigned char或unsigned short 的操作數(shù)，結果應該立即強制轉換為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結果為0xa5，0xa5>>4結果為0x0a，這是我們期望的值。

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

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

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，計算的最后結果被轉換成將要被賦予值的那個變量的類型。這一過程可能導致類型提升也可能導致類型降級。降級可能會導致問題。比如將運算結果為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，即便這經常引起B(yǎng)ug。

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

當不得已混合使用類型時，一個比較好的習慣是使用類型強制轉換。強制類型轉換可以避免編譯器隱式轉換帶來的錯誤，同時也向以后的維護人員傳遞一些有用信息。這有個前提：你要對強制類型轉換有足夠的了解！下面總結一些規(guī)則：

• 并非所有強制類型轉換都是由風險的，把一個整數(shù)值轉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換為精度低的類型時，通過丟棄適當數(shù)量的最高有效位來獲取結果，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*/