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Awk 中变量作用域的问题

时间：2008-05-01 来源：sdccf

文章来源:www.linuxeden.com-Linux伊甸园本文从两个错误的例程开始，提出 Awk 中全局变量污染的现象，并分析其发生的原因。接下来，针对 Awk 变量作用域的特点，提出两种避免全局变量污染的常用方法，引出 Awk 中定义局部变量的方法，并提出修改过后的代码。然后，通过 Awk 的变量调试功能，提出修改过后代码存在的不足，并引出编写通用函数应注意的地方。最后，通过简单说明 Awk 中包含头文件的方法，倡导大家更科学，更有效的使用 Awk 这一文本处理利器。文章的结尾提供了一些常用的 Awk 参考文档，供大家学习参考。

在 C、PHP 等大多数程序语言中，函数内声明的变量都会自动成为局部变量，变量的生命周期只在函数执行期，函数返回时变量自动销毁。在 Awk 使用的大多数情况下，我们用到的都是全局变量，不曾关心过变量作用域问题。在几十上百行的小型脚本中，一线到底的脚本的确无可厚非，没有因函数调用引起的变量交叉引用，固然也不会发生全局变量污染。随着脚本规模的扩大，必将以结构化和模块化的方式来编写 Awk 脚本，自定义函数也就成了家常便饭。也许某一天增加一个小功能后发现结果不如所意，而这段代码改得如此的清晰以至于没有人会怀疑它的正确性。判断得出问题一定是历史性的，但是调试这种问题显然是既费时又费力的。笔者曾经在这个问题上花费过将近半天的时间，饱受调试痛苦之后，才注意到 Awk 中变量作用域的问题。在此把这些经验教训总结成文，以供大家参考。

变量污染发生的情况

让我们通过两个例程来看看变量污染发生的情况：

清单 1. fac1.awk 打印 1 到 10 的阶乘

 1 # 2 # fac1.awk 3 # original version of fac1.awk 4 # 5 6 function factorial(n) 7 { 8 s=1; 9 10 for (i=1; i<=n; i++) 11 { 12 s *= i; 13 } 14 15 return s; 16 } 17 18 { 19 for (i=1; i<=10; i++) 20 { 21 value = factorial(i); 22 printf("fac(%d) = %d\n", i, value); 23 } 24 } 25 运行并查看结果： [robert@saphires awk_var]$ echo "" | awk -f fac1.awk fac(2) = 1 fac(4) = 6 fac(6) = 120 fac(8) = 5040 fac(10) = 362880

打印只显示出 2, 4, 6, 8, 10 的阶乘，而且结果还不对。很明显程序执行流程出了问题。原因在哪里呢？由于这个程序比较简单，经过简单分析可以得到全局变量 i 在自定义函数 factorial() 中被覆盖，影响了程序的工作流程，导致结果异常。

上例中 i 这样的循环变量受影响，是最典型的全局变量受污染的例子。另外，在一些递归形式的函数实现中，也很有可能出现变量污染的情况。让我们来看一看下面的例程：

清单 2. fac2.awk 打印 1 到 10 的阶乘（函数以递归方式实现）

 1 # 2 # fac2.awk 3 # original version of fac2.awk 4 # 5 6 function factorial(n) 7 { 8 if (n == 1) 9 { 10 i = 1; 11 return i; 12 } 13 else 14 { 15 i = factorial(n-1) * n; 16 return i; 17 } 18 } 19 20 { 21 for (i=1; i<=10; i++) 22 { 23 value = factorial(i); 24 printf("fac(%d) = %d\n", i, value); 25 } 26 } 27

运行并查看结果：

[robert@saphires awk_var]$ echo "" | awk -f fac2.awk fac(1) = 1 fac(2) = 2 fac(6) = 6 fac(5040) = 5040

结果也很奇怪。究其原因，还是全局变量 i 受污染所致。虽然上面这一段程序造得有点生硬，一般情况下不会在函数中使用 i 来处理函数的返回值，不过暴露出来的问题正在 Awk 中全局变量受污染的问题。

以上两个例程出现问题的原因是全局变量污染，但是发生全局变量污染的原因又是什么呢？ gawk 用户手册中有提到，在传统的 Awk 中，是不支持函数的，程序顺序解释并执行，第一次出现的变量随即完成初始化，在以后的代码中得以引用。我们目前在 Linux 下使用的大多数是 gawk ，它是 Awk 的一个扩展实现。在原来 Awk 处理变量的原则下，gawk 引用了自定义函数，改变了原有顺序执行流程，即代码可能跳转。在没有局部变量实现的 Awk 中，变量污染就发生了。接下来我们将分析如何避免因为历史原因造成的全局变量污染问题。

避免变量污染的方法

以上两个错误的例程简单说明了在 Awk 中易导致变量污染的常见情况。那么防止这种情况的方法有哪些呢？最笨的办法，就是使函数内使用的变量与全局变量不重名。笔者很久以前使用的就是这个笨方法，对于每个函数内的“局部变量”，都以自定义的函数名称缩写作为开头，以防止在全局范围内的变量名冲突。在一定程度上，这的确是一种有效的方法。但是从逻辑上来讲，这种方法决不是万全之计。

理想的解决方案当然是在函数内定义局部变量，其实也是最容易想到的方法。在 C 语言中，函数内定义的变量自动成为局部变量，在函数结束时自动销毁。在 bash 中，虽然也有跟 Awk 类似的全局变量污染的情况，但是可以通过 local 关键字完成函数内局部变量的声明，来避免全局变量污染问题。在 Awk 中如何定义局部变量这个问题好像不是那么明显，至少在 gawk 手册的 “VARIABLES” 一节中没有关于局部变量的任何线索。非常有趣的是，虽然大部分人第一个想到是这个方案，但最终都走回了第一个方案。笔者也是在一次偶然的闲暇时光重读 sed & awk 一书时，发现有这样一段说明：“Awk 提供了一种蹩脚的方式来定义局部变量，那就是通过函数的参数列表。”不久之后，笔者又在 gawk 手册中 “USER-DEFINED FUNCTIONS” 一节中找到了相似的一段话：“由于原来的 Awk 不支持函数，局部变量在 Awk 中的实现相当笨拙，通过给函数定义额外的参数来实现。按照惯例，在真实参数后面多加几个空格，以分隔真实参数与局部变量声明。”

局部变量定义的问题解决之后，让我们回到刚才有问题的程序，以 fac1.awk 为例，我们来看修改过后的代码：

清单 3. fac1-2.awk 传统的局部变量定义

 1 # 2 # fac1-2.awk 3 # version 0.2 of fac1.awk 4 # 5 6 function factorial(n, i) 7 { 8 s=1; 9 10 for (i=1; i<=n; i++) 11 { 12 s *= i; 13 } 14 15 return s; 16 } 17 18 { 19 for (i=1; i<=10; i++) 20 { 21 value = factorial(i); 22 printf("fac(%d) = %d\n", i, value); 23 } 24 } 25

运行并查看结果：

[robert@saphires awk_var]$ echo "" | awk -f fac1-2.awk fac(1) = 1 fac(2) = 2 fac(3) = 6 fac(4) = 24 fac(5) = 120 fac(6) = 720 fac(7) = 5040 fac(8) = 40320 fac(9) = 362880 fac(10) = 3628800

是的，就这么简单，问题解决了！正如手册中所说，这是一个历史问题，通过形参来定义函数内局部变量只是一个折衷解决方案。对于不知道其中奥妙的人来讲，原来的函数就成了一个可变参数的函数。对于上面的例子，既可以通过 factorial(n) 调用，也可以通过 factorial(n, i) 调用，对于不明白的代码阅读者或维护者很可能就此陷入困境。因为在函数的定义中虽然有两个形参，实际上第二个是我们不希望在函数调用时引用的。

比起书上写的加空格的方法，笔者更倾向于在正常的形参后面加一个名为 _ARGVEND_ 的参数，表示正常调用所需的形参到此结束，在此标识以后的形参都是“假形参”，实际上只是局部变量的定义。天知道哪天谁看到这样的多个空格分隔参数的函数会抱怨说“这是哪个蹩脚程序员写的函数声明”然后把这几个空格去掉甚至在函数调用时引用呢。有了这样的标识，那个真正的“蹩脚程序员”至少会想一下为什么这里会有个 _ARGVEND_ 呢？当然这个标识你可以使用任何你喜欢的，但是有一点你必须注意，传统毕竟是传统，在笔者提出的方式成为传统之前，你必须知道多个空格之间的参数是怎么回事，以免让你自己成为那个真正的“蹩脚程序员”。下面是以笔者的方式修改过后的代码：

清单 4. fac1-3.awk 笔者的局部变量定义

 1 # 2 # fac1-3.awk 3 # version 0.3 of fac1.awk 4 # 5 6 function factorial(n, _ARGVEND_, i) 7 { 8 s=1; 9 10 for (i=1; i<=n; i++) 11 { 12 s *= i; 13 } 14 15 return s; 16 } 17 18 { 19 for (i=1; i<=10; i++) 20 { 21 value = factorial(i); 22 printf("fac(%d) = %d\n", i, value); 23 } 24 } 25

运行并查看结果：

[robert@saphires awk_var]$ echo "" | awk -f fac1-3.awk fac(1) = 1 fac(2) = 2 fac(3) = 6 fac(4) = 24 fac(5) = 120 fac(6) = 720 fac(7) = 5040 fac(8) = 40320 fac(9) = 362880 fac(10) = 3628800

调试全局变量

上面谈到了变量污染发生的条件以及解决方案。这里再补充一下出现相关问题时的一个简单调试方法，那就是 awk 的 -dump-variables 参数，它可以把程序运行结束过后的所有全局变量打印到一个文本文件提供调试。我们来看下面的例子，对 fac1-3.awk 执行的输出结果：

 [robert@saphires awk_var]$ echo "" | awk -f fac1-3.awk --dump-variables=/tmp/var.dump fac(1) = 1 fac(2) = 2 fac(3) = 6 fac(4) = 24 fac(5) = 120 fac(6) = 720 fac(7) = 5040 fac(8) = 40320 fac(9) = 362880 fac(10) = 3628800 [robert@saphires awk_var]$ cat /tmp/var.dump ARGC: number (1) ARGIND: number (0) ARGV: array, 1 elements BINMODE: number (0) CONVFMT: string ("%.6g") ERRNO: number (0) FIELDWIDTHS: string ("") FILENAME: string ("-") FNR: number (1) FS: string (" ") IGNORECASE: number (0) LINT: number (0) NF: number (0) NR: number (1) OFMT: string ("%.6g") OFS: string (" ") ORS: string ("\n") RLENGTH: number (0) RS: string ("\n") RSTART: number (0) RT: string ("") SUBSEP: string ("\034") TEXTDOMAIN: string ("messages") i: number (11) s: number (3628800) value: number (3628800)

我们可以看到，s 这个在 factorial() 函数中变量其实是被当成了一个全局变量，虽然 fac1-3.awk 的运行结果已经完全符合我们的功能需要，但是如果把这个叫 factorial() 的函数移植到另外一个不是我们写的代码里面去，天知道会不会与其它一个叫 s 的全局变量混用引起变量污染呢？如果那一天真的到来的话，也许我们要花上好几个小时才能找出这样的污染根源。如何在第一时间避免这样的灾难发生呢？当然是把 s 也定义成局部变量，示例如下：

清单 5. fac1-4.awk 最终版本

 1 # 2 # fac1-4.awk 3 # version 0.4 of fac1.awk 4 # 5 6 function factorial(n, _ARGVEND_, i, s) 7 { 8 s=1; 9 10 for (i=1; i<=n; i++) 11 { 12 s *= i; 13 } 14 15 return s; 16 } 17 18 { 19 for (i=1; i<=10; i++) 20 { 21 value = factorial(i); 22 printf("fac(%d) = %d\n", i, value); 23 } 24 } 25

然后我们再看一下 fac1-4.awk 的 vardump ：

[robert@saphires awk_var]$ echo "" | awk -f fac1-4.awk --dump-variables=/tmp/var.dump fac(1) = 1 fac(2) = 2 fac(3) = 6 fac(4) = 24 fac(5) = 120 fac(6) = 720 fac(7) = 5040 fac(8) = 40320 fac(9) = 362880 fac(10) = 3628800 [robert@saphires awk_var]$ cat /tmp/var.dump ......(omitted) i: number (11) value: number (3628800)

从上面的结果可以看到，在程序运行结束过后，只有两个我们觉得应该有的全局变量 i 和 value 存在。这样， factorial() 函数基本上可以作为一个通用函数被移植到其它的 Awk 脚本中去了。通过对 Awk 全局变量的调试输出，我们也得出一个书写 Awk 函数需要注意的原则：那就是只要是局部变量，都应该在参数列表中进行定义，只有这样才能完全避免全局变量污染发生。

使用包含文件

上面的 fac1-4.awk 中的 factorial() 函数已经可以视为安全的 Awk 函数了。在 Awk 的应用中，是否可以象C语言的#include或bash中的source一样包含其它源文件呢？答案是可以的。让我们先把 factorial() 函数单独存到 fac-lib.awk 中：

清单 6. fac-lib.awk Awk 函数库

 1 # 2 # library for awk 3 # 4 5 function factorial(n, _ARGVEND_, i, s) 6 { 7 s=1; 8 9 for (i=1; i<=n; i++) 10 { 11 s *= i; 12 } 13 14 return s; 15 } 16

一种方法是通过引用多个 awk 脚本来实现，这种方式不需要有任何包含源文件相关的标志：

清单 7. fac3.awk 不包含 Awk 函数库的主程序

 1 # 2 # fac3.awk 3 # original version of fac3.awk 4 # 5 6 { 7 for (i=1; i<=10; i++) 8 { 9 value = factorial(i); 10 printf("fac(%d) = %d\n", i, value); 11 } 12 } 13

运行并查看结果：

 [robert@saphires awk_var]$ echo "" | awk -f fac-lib.awk -f fac3.awk fac(1) = 1 fac(2) = 2 fac(3) = 6 fac(4) = 24 fac(5) = 120 fac(6) = 720 fac(7) = 5040 fac(8) = 40320 fac(9) = 362880 fac(10) = 3628800

下面这种方式则更象其它语言中的源代码包含，但是对于有函数包含的 Awk 脚本，我们需要用 igawk 来执行。igawk 实际上也只是一个脚本，它在运行时分析 Awk 脚本中的 @include 标志，并把 @include 包含的文件合并到当前脚本的 @include 行，然后进行解释执行。一方面，Awk 所谓的包含功能也这么的不地道，另一方面，这个包含功能的扩展本身也是由 Awk 完成的，非常有趣。下面来看一下利用 igawk 运行包含函数库的 Awk 脚本。

清单 8. fac3-2.awk 包含 Awk 函数库的主程序

 1 # 2 # fac3-2.awk 3 # original version of fac3-2.awk 4 # 5 6 @include fac-lib.awk 7 8 { 9 for (i=1; i<=10; i++) 10 { 11 value = factorial(i); 12 printf("fac(%d) = %d\n", i, value); 13 } 14 } 15

运行并查看结果：

 [robert@saphires awk_var]$ echo "" | igawk -f fac3-2.awk fac(1) = 1 fac(2) = 2 fac(3) = 6 fac(4) = 24 fac(5) = 120 fac(6) = 720 fac(7) = 5040 fac(8) = 40320 fac(9) = 362880 fac(10) = 3628800