概述

基本上每種語言都要討論這個(gè)話題，C語言也不例外，因?yàn)橹挥心阃耆私饷總€(gè)變量或函數(shù)存儲方式、作用范圍和銷毀時(shí)間才可能正確的使用這門語言。今天將著重介紹C語言中變量作用范圍、存儲方式、生命周期、作用域和可訪問性。

變量作用范圍 存儲方式 可訪問性

變量作用范圍

在C語言中變量從作用范圍包括全局變量和局部變量。全局變量在定義之后所有的函數(shù)中均可以使用，只要前面的代碼修改了，那么后面的代碼中再使用就是修改后的值；局部變量的作用范圍一般在一個(gè)函數(shù)內(nèi)部（通常在一對大括號{}內(nèi)），外面的程序無法訪問它，它卻可以訪問外面的變量。

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// main.c
// ScopeAndLifeCycle
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// Created by Kenshin Cui on 14-7-12.
// Copyright (c) 2014年 Kenshin Cui. All rights reserved.
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#include <stdio.h>

int a=1;
void changeValue(){
  a=2;
  printf("a=%d\n",a);
}
int main(int argc, const char * argv[]) {
  int b=1;
  changeValue(); //結(jié)果：a=2
  printf("a=%d,b=%d\n",a,b); //結(jié)果：a=2,b=1 ，因?yàn)閏hangeValue修改了這個(gè)全局變量
  return 0;
}

變量存儲方式

C語言的強(qiáng)大之處在于它能直接操作內(nèi)存（指針），但是要完全熟悉它的操作方式我們必須要弄清它的存儲方式。存儲變量的位置分為：普通內(nèi)存(靜態(tài)存儲區(qū))、運(yùn)行時(shí)堆棧（動態(tài)存儲區(qū)）、硬件寄存器（動態(tài)存儲區(qū)），當(dāng)然這幾種存儲的效率是從低到高的。而根據(jù)存儲位置的不同在C語言中又可以將變量依次分為：靜態(tài)變量、自動變量、寄存器變量。

靜態(tài)變量

首先說一下存儲在普通內(nèi)存中的靜態(tài)變量，全局變量和使用static聲明的局部變量都是靜態(tài)變量，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中只初始化一次（在下面的例子中雖然變量b是局部變量，在外部無法訪問，但是他的生命周期一直延續(xù)到程序結(jié)束，而變量c則在第一次執(zhí)行完就釋放，第二次執(zhí)行時(shí)重新創(chuàng)建）。

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// 2.1.c
// ScopeAndLifeCycle
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// Copyright (c) 2014年 Kenshin Cui. All rights reserved.
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#include <stdio.h>

int a=1; //全局變量存儲在靜態(tài)內(nèi)存中，只初始化一次

void showMessage(){
  static int b=1; //靜態(tài)變量存儲在靜態(tài)內(nèi)存中，第二次調(diào)用不會再進(jìn)行初始化
  int c=1;
  ++b;
  a+=2;
  printf("a=%d,b=%d,c=%d\n",a,b,c);
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
  showMessage(); //結(jié)果：a=3,b=2,c=1
  showMessage(); //結(jié)果：a=5,b=3,c=1
  return 0;
}

自動變量

被關(guān)鍵字auto修飾的局部變量是自動變量，但是auto關(guān)鍵字可以省略，因此可以得出結(jié)論：所有沒有被static修飾的局部變量都是自動變量。

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// 1.3.c
// ScopeAndLifeCycle
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
  int a=1;
  auto int b=2;
  printf("a=%d,b=%d\n",a,b); //結(jié)果：a=1,b=2 ，a和b都是自動變量，auto可以省略
  
  //需要注意的是，上面的自動變量是存儲在棧中，其實(shí)還可以存儲到堆中
  char c[]="hello,world!";
  long len=strlen(c)*sizeof(char)+1;//之所以加1是因?yàn)樽址竺婺J(rèn)有一個(gè)\0空操作符不計(jì)算在長度內(nèi)
  char *p=NULL;//可以直接寫成：char *p;
  p=(char *)malloc(len);//分配指定的字節(jié)存放c中字符串，注意由于malloc默認(rèn)返回“void *”需要轉(zhuǎn)化
  memset(p,0,len);//清空指向內(nèi)存中的存儲內(nèi)容，因?yàn)榉峙涞膬?nèi)存是隨機(jī)的，如果不清空可能會因?yàn)槔鴶?shù)據(jù)產(chǎn)生不必要的麻煩
  strcpy(p,c);
  printf("p=%s\n",p);//結(jié)果：p=hello,world!
  free(p);//釋放分配的空間
  p=NULL;//注意讓p指向空，否則p將會是一個(gè)存儲一個(gè)無用地址的野指針
  
  
  return 0;
}

當(dāng)然存儲自動變量的棧和堆其實(shí)是兩個(gè)完全不同的空間（雖然都在運(yùn)行時(shí)有效的空間內(nèi)）：棧一般是程序自動分配，其存儲結(jié)果類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧，先進(jìn)后出，程序結(jié)束時(shí)由編譯器自動釋放；而堆則是開發(fā)人員手動編碼分配，如果不進(jìn)行手動釋放就只有等到程序運(yùn)行完操作系統(tǒng)回收，其存儲結(jié)構(gòu)類似于鏈表。在上面的代碼中p變量同樣是一個(gè)自動變量，同樣可以使用auto修飾，只是它所指向的內(nèi)容放在堆上（p本身存放在棧上）。

這里說明幾點(diǎn)：malloc分配的空間在邏輯上連續(xù)，物理上未必連續(xù)；p必須手動釋放，否則直到程序運(yùn)行結(jié)束它占用的內(nèi)存將一直被占用；釋放p的過程只是把p指向的空間釋放掉，p中存放的地址并未釋放，需要手動設(shè)置為NULL，否則這將是一個(gè)無用的野指針；

寄存器變量

默認(rèn)情況下無論是自動變量還是靜態(tài)變量它們都在內(nèi)存中，不同之處就是自動變量放在一塊運(yùn)行時(shí)分配的特殊內(nèi)存中。但是寄存器變量卻是在硬件寄存器中，從物理上來說它和內(nèi)存處在兩個(gè)完全不同的硬件中。大家都是知道寄存器存儲空間很小，但是它的效率很高，那么合理使用寄存器變量就相當(dāng)重要了。什么是寄存器變量呢？使用register修飾的int或char類型的非靜態(tài)局部變量是寄存器變量。沒錯(cuò)，需要三個(gè)條件支撐：register修飾、必須是int或char類型、必須是非靜態(tài)局部變量。

除了存儲位置不同外，寄存器變量完全符合自動變量的條件，因此它的生命周期其實(shí)是和自動變量完全一樣的，當(dāng)函數(shù)運(yùn)行結(jié)束后它就會被自動釋放。由于寄存器空間珍貴，因此我們需要合理使用寄存器變量，只有訪問度很高的變量我們才考慮使用寄存器變量，如果過多的定義寄存器變量，當(dāng)寄存器空間不夠用時(shí)會自動轉(zhuǎn)化為自動變量。

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// 1.3.c
// ScopeAndLifeCycle
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// Created by Kenshin Cui on 14-7-12.
// Copyright (c) 2014年 Kenshin Cui. All rights reserved.
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#include <stdio.h>

int main(int argc, const char * argv[]) {
  register int a=1;
  printf("a=%d\n",a);
  return 0;
}

上面我們說到變量的存儲類型，其實(shí)在C語言中還有兩種存儲類型：常量存儲區(qū)和代碼存儲區(qū)，分別用于存儲字符串常量、使用const修飾的全局變量以及二進(jìn)制函數(shù)代碼。

可訪問性

在C語言中沒有其他高級語言public、private等修飾符，來限定變量和函數(shù)的有效范圍，但是卻有兩個(gè)類似的關(guān)鍵字能達(dá)到類似的效果：extern和static。

externextern作用于變量

我們知道在C語言中變量的定義順序是有嚴(yán)格要求的，要使用變量則必須在使用之前定義，extern用于聲明一個(gè)已經(jīng)存在的變量，這樣一來即使在后面定義一個(gè)變量只要前面聲明了，也同樣可以使用。具體的細(xì)節(jié)通過下面的代碼相信大家都可以看明白：

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// 2.1.c
// ScopeAndLifeCycle
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// Created by Kenshin Cui on 14-7-12.
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#include <stdio.h>

//如果在main函數(shù)下面定義了一個(gè)變量a，如果在main上面不進(jìn)行聲明是無法在main中使用a的；
//同樣如果只進(jìn)行了extern聲明不進(jìn)行定義一樣會報(bào)錯(cuò)，因?yàn)閑xtern并不負(fù)責(zé)定義變量a而僅僅是聲明一個(gè)已經(jīng)定義過的變量；
//當(dāng)然如果說在main上面定義int a;去掉main下面的定義同樣是可以的，相當(dāng)于在上面定義，但如果兩個(gè)地方都定義a的話（main上面的extern去掉），則程序認(rèn)為上面的定義是聲明，只是省略了extern關(guān)鍵字；

//第一種情況，在下面定義，不進(jìn)行聲明，報(bào)錯(cuò)
int main(int argc, const char * argv[]) {
  
  printf("a=%d\n",a);
  return 0;
}

int a;

//第二種情況，在上面定義，正確
int a;
int main(int argc, const char * argv[]) {
  
  printf("a=%d\n",a);
  return 0;
}


//第三種情況，在下面定義在上面聲明，正確
extern int a;
int main(int argc, const char * argv[]) {
  
  printf("a=%d\n",a);
  return 0;
}

int a;


//第四種情況，只在上面聲明（編譯時(shí)沒有問題，因?yàn)樯厦娴穆暶黩_過了編譯器，但運(yùn)行時(shí)報(bào)錯(cuò)，因?yàn)閑xtern只能聲明一個(gè)已經(jīng)定義的變量），錯(cuò)誤
extern int a;
int main(int argc, const char * argv[]) {
  
  printf("a=%d\n",a);
  return 0;
}


//第五種情況,上下同時(shí)定義（這種方式是正確的，因?yàn)樯厦娴亩x會被認(rèn)為是省略了extern的聲明），正確
int a;
int main(int argc, const char * argv[]) {
  
  printf("a=%d\n",a);
  return 0;
}
int a;
//其實(shí)下面的情況也是不會出錯(cuò)的
int a;
int a;
int main(int argc, const char * argv[]) {
  
  printf("a=%d\n",a);
  return 0;
}
int a;
int a;

//第六種情況,將全局變量聲明為局部變量，但是它的實(shí)質(zhì)還是全局變量，正確
int a;
int main(int argc, const char * argv[]) {
  extern int a;
  printf("a=%d\n",a);
  return 0;
}
int a;

//第七種情況，在函數(shù)內(nèi)部重新定義一個(gè)變量a,雖然不會報(bào)錯(cuò)，但是兩個(gè)a不是同一個(gè)
int a;
int main(int argc, const char * argv[]) {
  int a;
  printf("a=%d\n",a);//注意這里輸出的a其實(shí)是內(nèi)部定義的a，和函數(shù)外定義的a沒有關(guān)系
  return 0;
}
int a;

如果兩個(gè)文件同時(shí)定義一個(gè)全局變量，那實(shí)質(zhì)上他們指的是同一個(gè)變量。從下面的例子可以看出，在main.c中修改了變量a之后message.c中的變量a值也修改了。

需要注意，在上面的代碼中無論在message.h中將a定義前加上extern，還是在main.h中的a定以前加上extern結(jié)果都是一樣的，extern同樣適用。和在單文件中一樣，不能兩個(gè)定義都添加extern，否則就沒有定義了。如果把message.c中a的定義（或聲明）去掉呢，那么它能否訪問main.c中的全局變量a呢，答案是否定的（這和在一個(gè)文件中定義了一個(gè)函數(shù)在另一個(gè)文件不聲明就直接用是類似的）。

extern作用于函數(shù)

extern作用于函數(shù)就不再是簡單的聲明函數(shù)了，而是將這個(gè)函數(shù)作為外部函數(shù)（當(dāng)然還有內(nèi)部函數(shù)，下面會說到），在其他文件中也可以訪問。但是大家應(yīng)該已經(jīng)注意到，在上面的代碼中message.c中的showMessage前面并沒有添加extern關(guān)鍵字，在main.c中不是照樣訪問嗎？那是因?yàn)檫@個(gè)關(guān)鍵字是可以省略的，默認(rèn)情況下所有的函數(shù)都是外部函數(shù)。

和作用于變量不同，上面main.c和message.c中的extern都可以省略，在這里extern的作用就是定義或聲明一個(gè)外部函數(shù)。從上面可以看到在不同的文件中可以定義同一個(gè)變量，它們被視為同一個(gè)變量，但是需要指出的是外部函數(shù)在一個(gè)程序中是不能重名的，否則會報(bào)錯(cuò)。

staticstatic作用于變量

其實(shí)在前面的例子中我們已經(jīng)看到static關(guān)鍵字在變量中的使用了，在例子中使用static定了一個(gè)局部變量，而且我們強(qiáng)調(diào)static局部變量在函數(shù)中只被初始化一次。那么如果static作用于全局變量是什么效果呢？如果static作用于全局變量它的作用就是定義一個(gè)只能在當(dāng)前文件訪問的全局變量，相等于私有全局變量。

從上面的輸出結(jié)果可以看出message.c中的變量a和main.c中的變量a并不是同一個(gè)變量，事實(shí)上message.c中的變量a只能在message.c中使用，雖然main.c中的變量a是全局變量但是就近原則，message.c會使用自己內(nèi)部的變量a。當(dāng)然，上面例子中main.c中的變量a定義成靜態(tài)全局變量結(jié)果也是一樣的，只是這樣如果還有其他源文件就不能使用a變量了。但是main.c中的a不能聲明成extern，因?yàn)閙ain.c不能訪問message.c中的變量a，這樣在main.c中就沒變量a的定義了。

static作用于函數(shù)

static作用于函數(shù)和作用于變量其實(shí)是類似的，如果static作用于函數(shù)則這個(gè)函數(shù)就是內(nèi)部函數(shù)，其他文件中的代碼不可以訪問。下面的代碼在運(yùn)行時(shí)會報(bào)錯(cuò)，因?yàn)閙esage.c中的showMessage()函數(shù)是私有的，在main.c中盡管進(jìn)行了聲明，可以在編譯階段通過，但是在鏈接階段會報(bào)錯(cuò)。

總結(jié)

最后做一下簡單總結(jié)一下：

extern作用于變量時(shí)用于聲明一個(gè)已經(jīng)定義的變量，但是并不能定義變量；使用extern你可以在其他文件中使用全局變量（當(dāng)然此時(shí)extern可以省略）； extern作用于函數(shù)時(shí)與它作用于全局變量有點(diǎn)類似，聲明這個(gè)函數(shù)是外部函數(shù)，其他文件可以訪問，但不同的是當(dāng)它作用于函數(shù)時(shí)不僅可以聲明函數(shù)還可以定義函數(shù)（用在函數(shù)定義前面），不管是定義還是聲明都可以省略，C語言默認(rèn)認(rèn)為函數(shù)定義或聲明都是外部函數(shù)； static作用于變量時(shí)，該變量只會定義一次，以后在使用時(shí)不會重新定義，當(dāng)static作用于全局變量時(shí)說明該變量只能在當(dāng)前文件可以訪問，其他文件中不能訪問； static作用于函數(shù)時(shí)與作用于全局變量類似，表示聲明或定義該函數(shù)是內(nèi)部函數(shù)（又叫靜態(tài)函數(shù)），在該函數(shù)所在文件外的其他文件中無法訪問此函數(shù)；