起源

前幾天，趙明威在圖靈社群發表了“演算法導論學習之補漏:斐波那契數列”，該文中最後的 Java 程式中有一個 fibonacci 函式，如左欄所示 。我在評論中指出，這個函式應該如右欄這樣寫：

static BigInteger fibonacci(int num) {
  BigInteger x = BigInteger.ZERO;
  BigInteger y = BigInteger.ONE;
  BigInteger z;
  for(int i = 0; i &lt num; i++) {
    z = y;
    y = x.add(y);
    x = z;
  }
  return x;
}

static BigInteger fibonacci(int num) {
  BigInteger x = BigInteger.ZERO;
  BigInteger y = BigInteger.ONE;

  for(int i = 0; i < num; i++) {
    BigInteger z = y;
    y = x.add(y);
    x = z;
  }
  return x;
}

在左欄的程式中，變數 z 的作用域有 8 行，而右欄只有 4 行。

比較這兩個程式

可能有人會認為，修改後的程式每次迴圈都要重新定義變數 z，意味著每次迴圈都要重新在棧中分配一個區域性變數，導致效能沒有修改前的程式好。

我們使用 javac 分別編譯這兩個程式，然後使用 javap -c 分別把編譯後的 .class 檔案反彙編為 Java bytecode，如下所示：

從上圖中可以看出，除了因為宣告變數的順序不同，導致變數 z 在這兩個程式中分別是第 3 號和第 4 號變數，而變數 i 在這兩個程式中分別是第 4 號和第 3 號變數之外，這個兩個程式是相同的。也就是，它們的執行速度完全一樣。

在 fibonacci 函式中，各個量如下所示：

• 量 0: num
• 量 1: x
• 量 2: y
• 量 3: z 或 i
• 量 4: i 或 z
• 量 5: BigInteger.ZERO
• 量 6: BigInteger.ONE
• 量 7: BigInteger.add

實際上，區域性變數表在使用 javac 編譯這兩個程式時就決定了，在 fibonacci 函式被呼叫之前就分配好所有的區域性變數（包括函式的引數），在函式結束時隨退棧操作一起釋放。

變數的作用域最小化原則

根據《程式碼大全》第 10 章“使用變數的一般事項”第 4 節“作用域”：

• 作用域或者可見性指的是變數在程式內的可見和可引用的範圍。
• 減少變數作用域的方法之一就是儘量使變數區域性化。
• 當對變數的作用域猶豫不決的時候，你應該傾向於選擇該變數所能具有的最小的作用域：首先將變數侷限於某個特定的迴圈，然後是侷限於某個子程式，其次成為類的 private 變數、protected 變數，再其次對包可見（如果你的程式語言支援包），最後在不得已的情況下再把它作為全域性變數。
• 你應該把每個變數定義成只對需要看到它的、最小範圍的程式碼段可見。如果你能把變數的作用域限定到一個單獨的的迴圈或者子程式，那是再好不過的了。
• 一般而言，應使變數的作用域最小化，把變數引用點儘可能集中在一起，從而能夠對變數施加控制。將區域性變數的作用域最小化，可以增強程式碼的可讀性和可維護性，並降低出錯的可能性。

參考資料

1. 豆瓣：程式碼大全
2. Wikipedia: Java bytecode