资深码农谈：嵌入式C语言可靠性设计之我见
前言
设备的可靠性涉及多个方面：稳定的硬件、优秀的软件架构、严格的测试以及市场和时间的检验等等。这里着重谈一下对嵌入式软件可靠性设计的一些理解，通过一定的技巧和方法提高软件可靠性。这里所说的嵌入式设备,是指使用单片机、ARM7、Cortex-M0，M3之类为核心的测控或工控系统。
嵌入式软件可靠性设计应该从防错、判错和容错三方面进行考虑. 此外,还需理解自己所使用的编译器特性。
此文属抛砖引玉。
良好的软件架构、清晰的代码结构、掌握硬件、深入理解C语言是防错的要点，这里只谈一下C语言。
“人的思维和经验积累对软件可靠性有很大影响"。C语言诡异且有种种陷阱和缺陷，需要程序员多年历练才能达到较为完善的地步。“软件的质量是由程序员的质量以及他们相互之间的协作决定的”。因此，作者认为防错的重点是要考虑人的因素。
“深入一门语言编程，不要浮于表面”。软件的可靠性，与你理解的语言深度密切相关，嵌入式C更是如此。除了语言，作者认为嵌入式开发还必须深入理解编译器。
本节将对C语言的陷阱和缺陷做初步探讨。
1.处处皆陷阱
最初开始编程时，除了英文标点被误写成中文标点外，可能被大家普遍遇到的是将比较运算符==误写成赋值运算符=，代码如下所示：
if(x=5) { … }
这里本意是比较变量x是否等于常量5，但是误将’==’写成了’=’，if语句恒为真。如果在逻辑判断表达式中出现赋值运算符，现在的大多数编译器会给出警告信息。并非所有程序员都会注意到这类警告，因此有经验的程序员使用下面的代码来避免此类错误：
if(5==x) { … }
将常量放在变量x的左边，即使程序员误将’==’写成了’=’，编译器会产生一个任谁也不能无视的语法错误信息：不可给常量赋值！
+=与=+、-=与=-也是容易写混的。复合赋值运算符（+=、*=等等）虽然可以使表达式更加简洁并有可能产生更高效的机器代码，但某些复合赋值运算符也会给程序带来隐含Bug，如下所示代码：
tmp=+1;
该代码本意是想表达tmp=tmp+1，但是将复合赋值运算符+=误写成=+：将正整数常量1赋值给变量tmp。编译器会欣然接受这类代码，连警告都不会产生。
如果你能在调试阶段就发现这个Bug，你真应该庆祝一下，否则这很可能会成为一个重大隐含Bug，且不易被察觉。
-=与=-也是同样道理。与之类似的还有逻辑与&&和位与&、逻辑或||和位或|、逻辑非！和位取反~。此外字母l和数字1、字母O和数字0也易混淆，这种情况可借助编译器来纠正。
很多的软件BUG自于输入错误。在Google上搜索的时候，有些结果列表项中带有一条警告，表明Google认为它带有恶意代码。如果你在2009年1月31日一大早使用Google搜索的话，你就会看到，在那天早晨55分钟的时间内，Google的搜索结果标明每个站点对你的PC都是有害的。这涉及到整个Internet上的所有站点，包括Google自己的所有站点和服务。Google的恶意软件检测功能通过在一个已知攻击者的列表上查找站点，从而识别出危险站点。在1月31日早晨，对这个列表的更新意外地包含了一条斜杠(“/”)。所有的URL都包含一条斜杠，并且，反恶意软件功能把这条斜杠理解为所有的URL都是可疑的，因此，它愉快地对搜索结果中的每个站点都添加一条警告。很少见到如此简单的一个输入错误带来的结果如此奇怪且影响如此广泛，但程序就是这样，容不得一丝疏忽。
数组常常也是引起程序不稳定的重要因素，C语言数组的迷惑性与数组下标从0开始密不可分，你可以定义int a[30]，但是你绝不可以使用数组元素a[30]，除非你自己明确知道在做什么。
switch…case语句可以很方便的实现多分支结构，但要注意在合适的位置添加break关键字。程序员往往容易漏加break从而引起顺序执行多个case语句，这也许是C的一个缺陷之处。对于switch…case语句，从概率论上说，绝大多数程序一次只需执行一个匹配的case语句，而每一个这样的case语句后都必须跟一个break。去复杂化大概率事件，这多少有些不合常情。
break关键字用于跳出最近的那层循环语句或者switch语句，但程序员往往不够重视这一点。
1990年1月15日，AT&T电话网络位于纽约的一台交换机当机并且重启，引起它邻近交换机瘫痪，由此及彼，一个连着一个，很快，114台交换机每六秒当机重启一次，六万人九小时内不能打长途电话。当时的解决方式：工程师重装了以前的软件版本。事后的事故调查发现，这是break关键字误用造成的。《C专家编程》提供了一个简化版的问题源码：
network code(){ switch(line) { case THING1: doit1(); break; case THING2: if(x==STUFF) { do_first_stuff(); if(y==OTHER_STUFF) break; do_later_stuff(); } /*代码的意图是跳转到这里… …*/ initialize_modes_pointer(); break; default: processing(); }/*… …但事实上跳到了这里。*/ use_modes_pointer();/*致使modes_pointer未初始化*/}
那个程序员希望从if语句跳出，但他却忘记了break关键字实际上跳出最近的那层循环语句或者switch语句。现在它跳出了switch语句，执行了use_modes_pointer()函数。但必要的初始化工作并未完成，为将来程序的失败埋下了伏笔。
将一个整形常量赋值给变量，代码如下所示：
int a=34, b=034;
变量a和b相等吗？答案是不相等的。我们知道，16进制常量以’0x’为前缀，10进制常量不需要前缀，那么8进制呢？它与10进制和16进制表示方法都不相通，它以数字’0’为前缀，这多少有点奇葩：三种进制的表示方法完全不相通。如果8进制也像16进制那样以数字和字母表示前缀的话，或许更有利于减少软件Bug，毕竟你使用8进制的次数可能都不会有误使用的次数多！下面展示一个误用8进制的例子，最后一个数组元素赋值错误：
a[0]=106; /*十进制数106*/a[1]=112; /*十进制数112*/a[2]=052; /*实际为十进制数42，本意为十进制52*/
指针的加减运算是特殊的。下面的代码运行在32位ARM架构上，执行之后，a和p的值分别是多少？
int a=1;int *p=(int*)0x00001000;a=a+1;p=p+1;
对于a的值很容判断出结果为2，但是p的结果却是0x00001004。指针p加1后，p的值增加了4，这是为什么呢？原因是指针做加减运算时是以指针的数据类型为单位。p+1实际上是p+1*sizeof(int)。不理解这一点，在使用指针直接操作数据时极易犯错。比如下面对连续RAM初始化零操作代码:
unsigned int *pRAMaddr; //定义地址指针变量for(pRAMaddr=StartAddr;pRAMaddr<EndAddr;pRAMaddr+=4){ *pRAMaddr=0x00000000; //指定RAM地址清零}
由于pRAMaddr是一个指针变量,所以pRAMaddr+=4代码其实使pRAMaddr偏移了4*sizeof(int)=16个字节，所以每执行一次for循环，会使变量pRAMaddr偏移16个字节空间，但只有4字节空间被初始化为零。其它的12字节数据的内容，在大多数架构处理器中都会是随机数。
对于sizeof()，这里强调两点，第一它是一个关键字，而不是函数，并且它默认返回无符号整形数据（要记住是无符号）；第二，使用sizeof获取数组长度时，不要对指针应用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++) //这里用法错误，array实际上是指针 { array[i]=0x00; }} int main(void){ char Fle[20]; ClearRAM(Fle); //只能清除数组Fle中的前四个元素}
我们知道，对于一个数组array[20]，我们使用代码sizeof(array)/sizeof(array[0])可以获得数组的元素（这里为20），但数组名和指针往往是容易混淆的，而且有且只有一种情况下是可以当做指针的，那就是数组名作为函数形参时，数组名被认为是指针。同时，它不能再兼任数组名。注意只有这种情况下，数组名才可以当做指针，但不幸的是这种情况下容易引发风险。在ClearRAM函数内，作为形参的array[]不再是数组名了，而成了指针。sizeof(array)相当于求指针变量占用的字节数，在32位系统下，该值为4，sizeof(array)/sizeof(array[0])的运算结果也为4。所以在main函数中调用ClearRAM(Fle)，也只能清除数组Fle中的前四个元素了。
增量运算符++和减量运算符--既可以做前缀也可以做后缀。前缀和后缀的区别在于值的增加或减少这一动作发生的时间是不同的。作为前缀是先自加或自减然后做别的运算，作为后缀时，是先做运算，之后再自加或自减。许多程序员对此认识不够，就容易埋下隐患。下面的例子可以很好的解释前缀和后缀的区别。
int a=8,b=2,y;y=a+++--b;
代码执行后，y的值是多少？
这个例子并非是挖空心思设计出来专门让你绞尽脑汁的C难题（如果你觉得自己对C细节掌握很有信心，做一些C难题检验一下是个不错的选择。那么，《The C Puzzle Book》这本书一定不要错过。），你甚至可以将这个难懂的语句作为不友好代码的反面例子。但是它也可以让你更好的理解C语言。根据运算符优先级以及编译器识别字符的贪心法原则，代码y=a+++--b;可以写成更明确的形式：
y=(a++)+(--b);
当赋值给变量y时，a的值为8，b的值为1,所以变量y的值为9；赋值完成后，变量a自加，a的值变为9，千万不要以为y的值为10。这条赋值语句相当于下面的两条语句：
y=a+(--b);a=a+1;
2.玩具般的编译器语义检查
为了更简单的设计编译器，目前几乎所有编译器的语义检查都比较弱小，加之为了获得更快的执行效率，C语言被设计的足够灵活且几乎不进行任何运行时检查，比如数组越界、指针是否合法、运算结果是否溢出等等。
C语言足够灵活，对于一个数组a[30]，它允许使用像a[-1]这样的形式来快速获取数组首元素所在地址前面的数据；允许将一个常数强制转换为函数指针，使用代码(*((void(*)())0))()来调用位于0地址的函数。C语言给了程序员足够的自由，但也由程序员承担滥用自由带来的责任。下面的两个例子都是死循环，如果在不常用分支中出现类似代码，将会造成看似莫名其妙的死机或者重启。
a. unsigned char i； b. unsigned chari;
for(i=0;i<256;i++) {… } for(i=10;i>=0;i--) { … }
对于无符号char类型，表示的范围为0~255，所以无符号char类型变量i永远小于256（第一个for循环无限执行），永远大于等于0（第二个for循环无线执行）。需要说明的是，赋值代码i=256是被C语言允许的，即使这个初值已经超出了变量i可以表示的范围。C语言会千方百计的为程序员创造出错的机会，可见一斑。
假如你在if语句后误加了一个分号改变了程序逻辑，编译器也会很配合的帮忙掩盖，甚至连警告都不提示。代码如下：
if(a>b); //这里误加了一个分号a=b; //这句代码一直被执行不但如此，编译器还会忽略掉多余的空格符和换行符，就像下面的代码也不会给出足够提示：
if(n<3)return //这里少加了一个分号logrec.data=x[0];logrec.time=x[1];logrec.code=x[2];这段代码的本意是n<3时程序直接返回，由于程序员的失误，return少了一个结束分号。编译器将它翻译成返回表达式logrec.data=x[0]的结果，return后面即使是一个表达式也是C语言允许的。这样当n>=3时，表达式logrec.data=x[0];就不会被执行，给程序埋下了隐患。
可以毫不客气的说，弱小的编译器语义检查在很大程度上纵容了不可靠代码可以肆无忌惮的存在。
上文曾提到数组常常是引起程序不稳定的重要因素，程序员往往不经意间就会写数组越界。一位同事的代码在硬件上运行，一段时间后就会发现LCD显示屏上的一个数字不正常的被改变。经过一段时间的调试，问题被定位到下面的一段代码中：
int SensorData[30]; …for(i=30;i>0;i--){ SensorData[i]=…; …}这里声明了拥有30个元素的数组，不幸的是for循环代码中误用了本不存在的数组元素SensorData[30]，但C语言却默许这么使用，并欣然的按照代码改变了数组元素SensorData[30]所在位置的值， SensorData[30]所在的位置原本是一个LCD显示变量，这正是显示屏上的那个值不正常被改变的原因。真庆幸这么轻而易举的发现了这个Bug。
其实很多编译器会对上述代码产生一个警告：赋值超出数组界限。但并非所有程序员都对编译器警告保持足够敏感，况且，编译器也并不能检查出数组越界的所有情况。举一个例子，你在模块A中定义数组：
int SensorData[30];在模块B中引用该数组，但由于你引用代码并不规范，这里没有显示声明数组大小，但编译器也允许这么做：
extern int SensorData[];如果在模块B中存在和上面一样的代码：
for(i=30;i>0;i--){ SensorData[i]=…; …}这次，编译器不会给出警告信息，因为编译器压根就不知道数组的元素个数。所以，当一个数组声明为具有外部链接，它的大小应该显式声明。
再举一个编译器检查不出数组越界的例子。函数func()的形参是一个数组形式，函数代码简化如下所示：
char * func(char SensorData[30]){ unsignedint i； for(i=30;i>0;i--) { SensorData[i]=…; … }}这个给SensorData[30]赋初值的语句，编译器也是不给任何警告的。实际上，编译器是将数组名Sensor隐含的转化为指向数组第一个元素的指针，函数体是使用指针的形式来访问数组的，它当然也不会知道数组元素的个数了。造成这种局面的原因之一是C编译器的作者们认为指针代替数组可以提高程序效率，而且，还可以简化编译器的复杂度。
指针和数组是容易给程序造成混乱的，我们有必要仔细的区分它们的不同。其实换一个角度想想，它们也是容易区分的：可以将数组名等同于指针的情况有且只有一处，就是上面例子提到的数组作为函数形参时。其它时候，数组名是数组名，指针是指针。
下面的例子编译器同样检查不出数组越界。
我们常常用数组来缓存通讯中的一帧数据。在通讯中断中将接收的数据保存到数组中，直到一帧数据完全接收后再进行处理。即使定义的数组长度足够长，接收数据的过程中也可能发生数组越界，特别是干扰严重时。这是由于外界的干扰破坏了数据帧的某些位，对一帧的数据长度判断错误，接收的数据超出数组范围，多余的数据改写与数组相邻的变量，造成系统崩溃。由于中断事件的异步性，这类数组越界编译器无法检查到。
如果局部数组越界，可能引发ARM架构硬件异常。同事的一个设备用于接收无线传感器的数据，一次软件升级后，发现接收设备工作一段时间后会死机。调试表明ARM7处理器发生了硬件异常，异常处理代码是一段死循环（死机的直接原因）。接收设备有一个硬件模块用于接收无线传感器的整包数据并存在自己的硬件缓冲区中，当一帧数据接收完成后，使用外部中断通知设备取数据，外部中断服务程序精简后如下所示：
__irq ExintHandler(void){ unsignedchar DataBuf[50]; GetData(DataBug); //从硬件缓冲区取一帧数据 …}由于存在多个无线传感器近乎同时发送数据的可能加之GetData()函数保护力度不够，数组DataBuf在取数据过程中发生越界。由于数组DataBuf为局部变量，被分配在堆栈中，同在此堆栈中的还有中断发生时的运行环境以及中断返回地址。溢出的数据将这些数据破坏掉，中断返回时PC指针可能变成一个不合法值，硬件异常由此产生。
如果我们精心设计溢出部分的数据，化数据为指令，就可以利用数组越界来修改PC指针的值，使之指向我们希望执行的代码。1988年，第一个网络蠕虫在一天之内感染了2000到6000台计算机，这个蠕虫程序利用的正是一个标准输入库函数的数组越界Bug。起因是一个标准输入输出库函数gets()，原来设计为从数据流中获取一段文本，遗憾的是，gets()函数没有规定输入文本的长度。gets()函数内部定义了一个500字节的数组，攻击者发送了大于500字节的数据，利用溢出的数据修改了堆栈中的PC指针，从而获取了系统权限。
一个程序模块通常由两个文件组成，源文件和头文件。如果你在源文件定义变量：
unsigned int a;并在头文件中声明该变量：extern unsigned long a;
编译器会提示一个语法错误：变量’a’声明类型不一致。但如果你在源文件定义变量：
volatile unsigned int a，在头文件中声明变量：extern unsigned int a; /*缺少volatile限定符*/
编译器却不会给出错误信息（有些编译器仅给出一条警告）。这里volatile属于类型限定符，另一个常见的类型限定符是const关键字。限定符volatile在嵌入式软件中至关重要，用来告诉编译器不要优化它修饰的变量。这里举一个刻意构造出的例子，因为现实中的volatile使用Bug大都隐含且难以理解。
在模块A的源文件中，定义变量：
volatile unsigned int TimerCount=0;该变量用来在一个定时器服务程序中进行软件计时：
TimerCount++; //读取IO端口1的值在模块A的头文件中，声明变量：
extern unsigned int TimerCount; //这里漏掉了类型限定符volatile在模块B中，要使用TimerCount变量进行精确的软件延时：
#include “...A.h” //首先包含模块A的头文件…TimerCount=0;while(TimerCount>=TIMER_VALUE); //延时一段时间…实际上，这是一个死循环。由于模块A头文件中声明变量TimerCount时漏掉了volatile限定符，在模块B中，变量TimerCount是被当作unsigned int类型变量。由于寄存器速度远快于RAM，编译器在使用非volatile限定变量时是先将变量从RAM中拷贝到寄存器中，如果同一个代码块再次用到该变量，就不再从RAM中拷贝数据而是直接使用之前寄存器备份值。代码while(TimerCount>=TIMER_VALUE)中，变量TimerCount仅第一次执行时被使用，之后都是使用的寄存器备份值，而这个寄存器值一直为0，所以程序无限循环。下面的流程图说明了程序使用限定符volatile和不使用volatile的执行过程。
ARM架构下的编译器会频繁的使用堆栈，堆栈用于存储函数的返回值、AAPCS规定的必须保护的寄存器以及局部变量，包括局部数组、结构体、联合体和C++的类。从堆栈中分配的局部变量的初值是不确定的，因此需要运行时显式初始化该变量。一旦离开局部变量的作用域，这个变量立即被释放，其它代码也就可以使用它，因此堆栈中的一个内存位置可能对应整个程序的多个变量。
局部变量必须显式初始化，除非你确定知道你要做什么。下面的代码得到的温度值跟预期会有很大差别，因为在使用局部变量sum时，并不能保证它的初值为0。编译器会在第一次运行时清零堆栈区域，这加重了此类Bug的隐蔽性。
unsigned intGetTempValue(void){ unsigned int sum; //定义局部变量，保存总值 for(i=0;i<10;i++) { sum+=CollectTemp(); //函数CollectTemp可以得到当前的温度值 } return (sum/10);}由于一旦程序离开局部变量的作用域即被释放，所以下面代码返回指向局部变量的指针是没有实际意义的，该指针指向的区域可能会被其它程序使用，其值会被改变。
char * GetData(void){ char buffer[100]; //局部数组 … return buffer;}3.不合理的优先级
C语言有32个关键字，却有34个运算符。要记住所有运算符的优先级是困难的。不合理的#define会加重优先级问题，让问题变得更加隐蔽。
#define READSDA IO0PIN&(1<<11) //定义宏，读IO口p0.11的端口状态//判断端口p0.11是否为高电平 if(READSDA==(1<<11)) { …}编译器在编译后将宏带入,原if语句变为:
if(IO0PIN&(1<<11) ==(1<<11)){ …}运算符'=='的优先级是大于'&'的，代码IO0PIN&(1<<11) ==(1<<11))等效为IO0PIN&0x00000001：判断端口P0.0是否为高电平，这与原意相差甚远。
为了制造更多的软件Bug，C语言的运算符当然不会只止步于数目繁多。在此基础上，按照常规方式使用时，可能引起误会的运算符更是比比皆是！如下表所示：
4.隐式转换和强制转换
这又是C语言的一大诡异之处，它造成的危害程度与数组和指针有的一拼。语句或表达式通常应该只使用一种类型的变量和常量。然而，如果你混合使用类型，C使用一个规则集合来自动完成类型转换。这可能很方便，但也很危险。
a.当出现在表达式里时，有符号和无符号的char和short类型都将自动被转换为int类型，在需要的情况下，将自动被转换为unsigned int（在short和int具有相同大小时）。这称为类型提升。提升在算数运算中通常不会有什么大的坏处，但如果位运算符 ~ 和 << 应用在基本类型为unsigned char或unsigned short 的操作数，结果应该立即强制转换为unsigned char或者unsigned short类型（取决于操作时使用的类型）。
uint8_t port =0x5aU;uint8_t result_8;result_8= (~port) >> 4;假如我们不了解表达式里的类型提升，认为在运算过程中变量port一直是unsigned char类型的。我们来看一下运算过程：~port结果为0xa5，0xa5>>4结果为0x0a，这是我们期望的值。但实际上，result_8的结果却是0xfa！在ARM结构下，int类型为32位。变量port在运算前被提升为int类型：~port结果为0xffffffa5，0xa5>>4结果为0x0ffffffa，赋值给变量result_8，发生类型截断（这也是隐式的！），result_8=0xfa。经过这么诡异的隐式转换，结果跟我们期望的值，已经大相径庭！正确的表达式语句应该为：
result_8=(unsigned char) (~port) >> 4; /*强制转换*/b.在包含两种数据类型的任何运算里，两个值都会被转换成两种类型里较高的级别。类型级别从高到低的顺序是long double、double、float、unsigned long long、long long、unsigned long、long、unsigned int、int。这种类型提升通常都是件好事，但往往有很多程序员不能真正理解这句话，从而做一些想当然的事情，比如下面的例子，int类型表示16位。
uint16_t u16a = 40000; /* 16位无符号变量*/uint16_t u16b= 30000; /*16位无符号变量*/uint32_t u32x; /*32位无符号变量 */uint32_t u32y;u32x = u16a +u16b; /* u32x = 70000还是4464 ? */u32y =(uint32_t)(u16a + u16b); /* u32y = 70000 还是4464 ? */u32x和u32y的结果都是4464（70000%65536）！不要认为表达式中有一个高类别uint32_t类型变量，编译器都会帮你把所有其他低类别都提升到uint32_t类型。正确的书写方式：
u32x = (uint32_t)u16a +(uint32_t)u16b;或者：u32x = (uint32_t)u16a + u16b;后一种写法在本表达式中是正确的，但是在其它表达式中不一定正确，比如：
uint16_t u16a,u16b,u16c;uint32_t u32x;u32x= u16a + u16b + (uint32_t)u16c;/*错误写法，u16a+ u16b仍可能溢出*/c.在赋值语句里，计算的最后结果被转换成将要被赋予值得那个变量的类型。这一过程可能导致类型提升也可能导致类型降级。降级可能会导致问题。比如将运算结果为321的值赋值给8位char类型变量。程序必须对运算时的数据溢出做合理的处理。
很多其他语言，像Pascal语言（好笑的是C语言设计者之一曾撰文狠狠批评过Pascal语言），都不允许混合使用类型，但C语言不会限制你的自由，即便这经常引起Bug。
d.当作为函数的参数被传递时，char和short会被转换为int，float会被转换为double。
e.C语言支持强制类型转换，如果你必须要进行强制类型转换时，要确保你对类型转换有足够了解：
并非所有强制类型转换都是由风险的，把一个整数值转换为一种具有相同符号的更宽类型时，是绝对安全的。
精度高的类型强制转换为精度低的类型时，通过丢弃适当数量的最高有效位来获取结果，也就是说会发生数据截断，并且可能改变数据的符号位。
精度低的类型强制转换为精度高的类型时，如果两种类型具有相同的符号，那么没什么问题；需要注意的是负的有符号精度低类型强制转换为无符号精度高类型时，会不直观的执行符号扩展，例如：
unsigned int bob;signed char fred = -1;bob=(unsigned int )fred; /*发生符号扩展，此时bob为0xFFFFFFFF*/一些编程建议：
深入理解嵌入式C语言以及编译器
细致、谨慎的编程
使用好的风格和合理的设计
不要仓促编写代码，写每一行的代码时都要三思而后行：可能会出现什么样的错误？是否考虑了所有的逻辑分支？
打开编译器所有警告开关
使用静态分析工具分析代码
安全的读写数据（检查所有数组边界…）
检查指针的合法性
检查函数入口参数合法性
检查所有返回值
在声明变量位置初始化所有变量
合理的使用括号
谨慎的进行强制转换
使用好的诊断信息日志和工具
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