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嵌入式 C 语言入门：递归与变量作用域学习笔记 —— 从概念到内存特性

news 2025/8/3 7:44:57

前言

大家好，这里是 Hello_Embed。上一篇笔记我们学习了函数的封装与参数传递，而函数的进阶用法中，递归和变量作用域是非常重要的概念 —— 递归能简化复杂问题的逻辑，而搞懂变量作用域（尤其是static的用法）能帮我们避免嵌入式开发中常见的内存冲突和资源浪费。本文就来详细聊聊递归的原理、栈溢出的风险，以及变量作用域和static关键字的核心知识点。

🔄 递归：函数调用自身的技巧

递归的基本概念

递归是指函数在执行过程中直接或间接调用自身的技术。最经典的例子是阶乘计算，代码如下：

int factorial(int n) {if(n == 0) {  // 基例（停止条件）return 1;}return n * factorial(n - 1);  // 调用自身
}

以factorial(5)为例，递归过程可拆解为：
5 × factorial(4) → 5 × 4 × factorial(3) → 5 × 4 × 3 × factorial(2) → ... → 5×4×3×2×1×1，最终得到结果 120。这种 “将大问题分解为同类小问题” 的思路，就是递归的核心。

递归的注意事项

递归虽简洁，但使用时有两个必须遵守的原则：

必须有基例（停止条件）：如n == 0时返回 1，否则会陷入无限递归（函数永远调用自身，无法结束）。
警惕栈溢出：递归过程会持续分配栈空间，若层数过深，可能耗尽栈资源导致程序崩溃。

栈溢出现象：为什么递归可能 “撑爆” 内存？

结合上一篇笔记提到的 “栈” 概念，我们用阶乘函数的执行过程解释栈溢出，完整代码及运行结果：

#include <stdio.h>
int factorial(int n) {if(n == 0) {return 1;}return n * factorial(n - 1);
}
int main(void)
{int n = 3;int f = factorial(n);printf("f = %d\n\r", f);  // 输出6return 0;
}

运行结果如下：
请添加图片描述
执行时的栈空间分配过程：

main函数运行时，栈中分配空间存放n=3和f（SP指针初始位置）。
第一次调用factorial(3)：SP下移，分配栈空间存放factorial(3)的局部变量n=3。
factorial(3)调用factorial(2)：SP继续下移，分配空间存放factorial(2)的n=2。
重复上述过程，直到调用factorial(0)：此时已分配 4 层栈空间（factorial(3)到factorial(0)）。
可见，即使计算n=3的阶乘，也需要 4 层栈空间。若n值过大（比如n=10000），栈空间会被持续占用，最终超过单片机有限的栈内存，导致栈溢出。因此，嵌入式开发中使用递归需格外谨慎，优先考虑循环替代（尤其在资源紧张的单片机上）。

🌐 变量的作用域：谁能访问这个变量？

变量的作用域指 “变量能被访问的范围”，主要分为局部变量和全局变量，理解它们的区别是写出可靠代码的基础。

局部变量 vs 全局变量

局部变量：在函数内部定义的变量，仅在该函数内生效。若不同函数定义同名局部变量，它们会占用不同栈空间（是完全独立的变量）。
全局变量：在所有函数外部定义的变量，可被同一文件内的所有函数访问。但需注意：编译器按顺序编译，若函数调用全局变量前未定义该变量，会报错（需先定义再使用）。

全局变量的跨文件使用

在多文件项目中（比如 STM32 工程的main.c和test.c），全局变量可跨文件访问，但需用extern声明：

在main.c中定义全局变量：int a = 0x55;
在test.c中使用该变量前，需声明：extern int a;（告诉编译器 “a在其他文件中定义”）。

全局变量的冲突与解决：用`static`限制作用域

多人合作开发时，不同文件可能定义同名全局变量（比如甲在A.c定义int time;，乙在B.c也定义int time;），会导致编译器无法区分而报错。
解决办法：用static修饰全局变量，将其作用域限制在当前.c文件内：

A.c中定义：static int time;（仅A.c内的函数可访问）
B.c中定义：static int time;（仅B.c内的函数可访问）
两者互不冲突，完美解决同名问题。

作用域优先级：“小范围” 优先

当不同作用域的变量同名时，作用域更小的变量优先生效。例如：

#include <stdio.h>
int a = 0x1111;  // 全局变量（作用域：整个文件）
int mymain(void)
{int a = 0x55;  // 局部变量（作用域：mymain函数内）printf("a = 0x%x\n\r", a);  // 输出0x55（局部变量优先）return 0;
}

请添加图片描述
同理，若main.c有全局变量n=100，test.c有static int n=50，则test.c中打印n时，会优先使用作用域更小的static n=50。

🧐 深入`static`：静态变量的特性与区别

static可修饰全局变量和局部变量，分别称为 “静态全局变量” 和 “静态局部变量”。它们与普通变量的核心区别，体现在内存特性上。

静态变量与全局变量的共性

静态变量（无论全局还是局部）和全局变量存放在全局数据区（而非栈区），因此有以下共性：

生命周期相同：从程序启动时创建，直到程序结束才释放（普通局部变量随函数调用结束而销毁）。
初始化特性相同：未手动初始化时，编译器会自动赋为0（普通局部变量未初始化时是随机值），如图：
存储位置一致：
都存放在全局数据区，而不是像普通局部变量那样存放在栈区。

静态全局变量 vs 静态局部变量的区别

类型	访问范围	核心特性
静态全局变量	同一`.c`文件内的所有函数均可访问	限制跨文件访问，避免全局变量冲突
静态局部变量	仅定义它的函数内部可访问	有 “记忆功能”：函数结束后不销毁，下次调用能保留上次的值

实例：用静态局部变量和全局变量统计递归次数

下面代码分别用静态局部变量和全局变量统计阶乘函数的调用次数，结果一致：

#include <stdio.h>
// 用静态局部变量统计
int factorial1(int n) {static int cnt1;  // 静态局部变量，函数结束后不销毁cnt1 ++;if(n == 0) {printf("call back 1 %d ", cnt1);  // 打印调用次数cnt1 = 0;  // 重置计数return 1;}return n * factorial1(n - 1);
}// 用全局变量统计
int cnt2;  // 全局变量
int factorial2(int n) {cnt2 ++;if(n == 0) {printf("call back 2 %d ", cnt2);  // 打印调用次数cnt2 = 0;  // 重置计数return 1;}return n * factorial2(n - 1);
}int mymain(void)
{factorial1(3);  // 调用4次（3→2→1→0）factorial2(3);  // 同样调用4次return 0;
}

请添加图片描述
可见，静态局部变量的 “记忆功能” 使其能替代全局变量完成计数，且避免了全局变量的作用域污染。

结尾

这篇笔记我们学习了递归的原理与风险（栈溢出），以及变量作用域的核心知识：局部变量与全局变量的区别、跨文件访问的extern声明、用static解决全局变量冲突，还深入理解了静态变量的内存特性。这些知识对嵌入式开发至关重要 —— 递归需谨慎使用以避免栈溢出，而合理管理变量作用域能减少内存冲突，提升代码可靠性。
下一篇笔记，我们将学习头文件的作用和多文件编程，看看如何用它们处理传感器数据或控制多个硬件设备。Hello_Embed 会继续和大家一起夯实基础，探索嵌入式 C 语言的更多细节，敬请期待～

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