由static來談談模塊封裝

[導讀] static的用法對于很多剛剛開始接觸開發的朋友來說，可能沒理解其真正的用途，雖說這個是老生常談的話題，但這也是高頻面試要點，所以本文來聊聊。

最近有點小忙，更文慢了些，抱歉。

先談存儲類型

存儲類型表示變量的可見性和位置。它告訴可以從代碼的哪一部分訪問變量。存儲類用于描述以下內容：

• 變量的作用域(scope)，作用域指存取變量的代碼范圍。
• 變量從哪里分配存儲內存。
• 變量的初始化值。
• 變量的生命周期(lifetime)，生命周期指存取變量的時間范圍，從程序運行時角度去考察變量的。

那么有哪些存儲類型呢？下面幾個詞是C語言描述存儲類型的關鍵字：

• auto : 自動型，為變量的默認存儲方式，作用域從定義點到該局部程序塊尾部，分配存儲在棧內，生命周期程序運行至定義點出生，到程序運行退出該塊時消亡。
• extern：外部型，作用域為整個程序，其分配存儲在數據段，生命周期為整個程序運行生命周期。
• static：靜態型，其分配存儲在數據段，故其生命周期為整個程序運行生命周期，其作用域分兩種情況：
• 定義在文件中，則作用域為定義點至該文件尾部。
• 定義在函數中，則作用域為定義點至該函數尾部。
• register：寄存器型，寄存器存儲類用于定義應存儲在寄存器而不是RAM中的局部變量。 這意味著該變量的最大位長度等于寄存器的位長度（通常是一個字），并且不能對其使用'＆'運算符（因為它沒有存儲在內存中）。僅應用于需要快速訪問的變量（例如計數器）。還應注意定義“register”并不意味著變量將一定會存儲在寄存器中。它可能根據不同硬件和實現限制存儲在寄存器中。

由static來談C封裝

static用在文件中修飾變量，如下代碼：

/*這是某模塊文件,比如叫senor.c*/
#include "sensor.h"
static float sensor_value;
static float filter(float in)
{
    float out;
    
    /*這里實現濾波計算*/
    ......
        
    return out;
}
void update_sensor_exe(void)
{
     float temp   = adc_read();
     sensor_value = fileter(temp);
}

float get_sensor_value(vid)
{
    return sensor_value;
}

這里定義其頭文件，比如sensor.h

#ifdef  __SENSOR_H__
#define __SENSOR_H__

void update_sensor_exe(void);

#endif

用一個UML圖來描述一下這個模塊：

這樣使用，是不是有點模塊封裝的意思呢，來總結一下：

• 利用static定義屬于模塊的變量，可以將屬于模塊屬性隱藏在模塊內部，對外部不見，是不是有點類似對象語言中的private變量的趕腳呢？
• static修飾函數成局部函數是不是也相當于面向對象語言中一個類的私有方法呢？如此，外部程序是無法調用filter函數的。
• update_sensor_exe/get_sensor_value 為模塊對外接口，這樣一來使用者就可以不關心模塊內部究竟是怎么做的，可以看成是個黑盒子，只需要知道update_sensor_exe更新了傳感器采集，而調用get_sensor_value則可以返回獲取到當前的測量數據。
• static修飾變量可為廣義對象，比如struct。這樣可以將相關屬性更為緊湊的封裝，事實上這種用法是非常好的用法，也被廣為使用。
• C語言在多人協同開發時，利用static的這種用法時，系統設計人員定義模塊或子系統接口，可以很好的解決同名變量/函數沖突，有利于協同并行開發。可以隱藏各自的實現細節，各自造各自的輪子，造整車的管造整車，從而較易實現系統集成。

對上述代碼稍作總結，對一個使用該模塊的程序員而言來看模塊，就是下面這樣一個視圖：

static在函數內

#include 
int fun1() 
{ 
   int count = 0; 
   count++; 
   return count; 
} 

int fun2() 
{ 
   static int count = 0; 
   count++; 
   return count; 
} 

int main() 
{ 
   printf("fun1=%d\n", fun1()); 
   printf("fun1=%d\n", fun1());
    
   printf("fun2=%d\n", fun2()); 
   printf("fun2=%d\n", fun2());   
   return 0; 
}

由于一個自動型變量，一個是靜態變量，存儲位置不一樣，生命周期也不一樣，所以運行結果也不一樣。

fun1=1
fun1=1
fun2=1
fun2=2

對于把函數內部變量定義為static型，個人建議是如某特性只與函數內需求或特性相關，則可以這樣使用，如果不是則不建議將過多變量定義成函數內部靜態變量。當然事無絕對，這個使用起來還是很靈活的。舉個栗子：

• 比如一個函數內部某些操作，在整個程序運行生命周期，只允許運行一次，這種特性屬于私有特性，個人會采用下面這種策略。

void fun()
{
     static bool called = false;
     if(!called)
     {
        called = true;
        /*應用代碼A*/
        .....
     }
     
     .....
}

這樣當該函數在第一次運行時，將會調用應用代碼A塊，然后將標志設置為true，由于該變量生命周期為整個程序的生命周期，則該函數下次進入時，將不會調用應用代碼A塊。當然如果把這個標志用模塊靜態變量或者全局變量標記從功能上是一樣的，這樣放入內部的好處是這種需求的scope就是該函數內部，所以作用域與待實現的需求比較好的匹配。

總結一下

由于C語言不是對象語言，如能很好利用static關鍵字的語言特性，也可以實現些封裝屬性、開放接口的對象思想。當然C語言的對象編程策略絕不僅限于這一點。如能善用一些語言特點將會使代碼變得更加緊湊、優雅。本文做了些簡單示例總結，當然對于軟件大牛而言，則顯得頗為粗淺了。