[C++知识库]【C语言】从空间和时间两个角度看一个变量

一、从空间角度看变量

1、作用域

变量被定义的位置决定变量的作用范围，即作用域。

（1）代码块作用域

什么是代码块？
答：位于一对大括号之间的所有语句

在代码块中定义的变量具有代码块作用域。

如：
函数中定义的变量a:

int fun(int x, int y)
{
	int a;
	a = x + y;
	return a;
}

main函数中定义的res:

int main()
{
	int res;
	res = fun(1, 2);
	cout << res << endl;
	system("pause");
	return 0;
}

while循环中的m:

int main()
{
	int res;
	res = fun(1, 2);
	printf("%d\n",res);
	while(res--)
	{
		int m=0;
		printf("%d\n",m++);	
	} 
	return 0;
}

for循环中定义的i:

    for(int i=0;i<3;i++)
	{
		printf("%d\n",i);	
	} 
打印结果
0
1
2

for内部定义的m:

    for(int i=0;i<3;i++)
	{
		int m=0;
		printf("%d\n",m++);	
	} 

以上变量都具有代码块作用域

另外，比较特殊的是函数的形参也具有代码块作用域：

void swap (int x, int y)
{
	int temp;
	temp = x;
	x = y;
	y = temp;
	printf ("x = %d, y = %d\n", x, y);
}

调用函数时相当于进行如下操作：

void swap (...)
{
	int x=a;  //←
	int y=b;  //←注意这里，头两行是调用函数时的隐含操作
	int temp;
	temp = x;
	x = y;
	y = temp;
	printf ("x = %d, y = %d\n", x, y);
}

由此可看出形参也具有代码块作用域。

（2）文件作用域

在代码块外定义的变量具有文件作用域。

因此全局变量具有文件作用域，另外函数名定义在代码块之外，因此也具有文件作用域。

具有文件作用域的标识符作用域是从声明位置开始到文件结尾。
上面这句话有两层意思：
a、具有文件作用域的标识符有效范围并不是整个文件！
b、具有文件作用域的标识符有效范围并不局限在当前文件！只要其他文件有声明该标识符，在另一个文件中，有效范围同样是从声明位置开始到文件结尾。

以下面这个程序为例：

#include<stdio.h>
void func(void);
int main()
{
  extern int count;
  func();
  count++;
  printf("In main,count= %d\n",count);
  return 0;
}
int count;
void func(void)
{
  count++;
  printf("In func,count = %d\n",count);
}

程序中的func，main，count都具有文件作用域。

其中func的作用范围为红框所示范围：

count的作用范围为红框所示范围：

（3）函数原型作用域

在函数声明（函数原型）中定义的形参具有函数原型作用域。

函数原型作用域是4种作用域中作用范围最小的，其作用范围为形参定义处到原型声明结束。
如下所示，红框显示的是形参i的作用范围。

作用范围这么小意味着函数原型重点是形参数据类型，形参名是否和函数定义时一致无关紧要，甚至没有都可以。

（4）函数作用域

仅适用于goto语句的标签。

只要函数中出现goto语句的标签，该标签的作用范围就是整个函数。

由于编程中要避免使用goto语句，所以该部分不再细讲。

下面对四种作用域进行了总结：

2、链接属性

应用场景：不同文件中出现相同标识符，怎么判定是不是同一个实体？

功能：用于认定不同文件的标识符（变量名、函数名）是否是同一个实体。

更通俗地说，就是在两个不同文件中的变量、函数声明是否指向同一个实体。

比如：a、b文件同时声明了变量c，链接属性就指定了这两处变量c是否是同一个c。

（1）external（外部的）~与extern配合使用

多个文件中声明的同名标识符表示同一个实体。

程序的全局变量、所有函数默认的链接属性为external。

用extern关键字在声明中指定以引用其他文件中定义的相同标识符。

具有文件作用域的标识符默认具有external链接属性，这并不是说在b文件中不声明就可以使用a文件中定义的标识符，想要使用必须加extern关键字！

//文件test.c
#include<stdio.h>
void a(void);
int count;
int main()
{
  a();
  printf("%d\n",count);
  return 0;
}

//文件a.c
extern int count;
void a(void)
{
   count++;
}

以上两个文件存在一个目录下面，使用gcc test1.c a.c -Wall && ./a.out执行结果为1。

但如果删掉声明部分extern int count;以及void a(void);就会报错。

（2）internal（内部的）~与static配合使用

单个文件中声明的同名标识符表示同一个实体。

用static关键字在声明中指定让标识符变为该文件私有。

用static关键字可以使得原先具有external属性的标识符变为internal属性
这句话需要注意的是：
1）只能对具有external属性的标识符使用，才会生效，即只能用于全局变量和函数，在标识符前面加上static可以将它们变成静态全局变量和静态函数，作用范围仅限所在文件，其他文件无法访问。
2）修改不可逆，一旦将链接属性变为internal，就不能在后面再变回去了。

注意：被internal修饰的标识符依然具有文件作用域；也就是说具有文件作用域的标识符可能有internal属性，也可能有external属性。

（3）none（无）~无对应关键字

声明的同名标识符被当做独立不同的实体

除了全局变量、所有函数，其余标识符的默认链接属性为none，如局部变量，函数形参，标签

二、从时间角度看变量

1、生存期

生存期用来描述一个标识符从建立到销毁的时间长度。

（1）静态存储器——高寿

具有文件作用域的变量具有静态存储器，即全局变量和函数名。

全局变量和函数名一旦定义，直到程序关闭才被释放，因为他们存在全局区。

（2）自动存储器——短命

具有代码块作用域的变量具有自动存储器，即局部变量，形参等。

变量在代码块运行结束时就自动释放存储空间，因为他们存在栈区。

三、存储类型

定义一个变量，实际的格式为：

[存储类型] [数据类型] 变量名；

我们常用的int a;
其实是简写版，完整版为：auto int a;这里auto可以省略。

C语言的标识符通过作用域、链接属性、生存期可组合成多种存储方案。

1、自动auto

在代码块中声明的变量默认存储类型为auto，包括局部变量、形参等。

它具有代码块作用域，无链接属性（none），自动存储期。

auto不能修饰全局变量！

2、寄存器变量register

寄存器存在于CPU内部，寄存器的读写速度是最快的。

将一个变量声明为寄存器变量，该变量就有可能被存在寄存器中，因为寄存器空间十分有限，不是你想存就能存的，编译器会自己判断是否存入寄存器。如果编译器认为没有必要存入寄存器，那么该变量就会退化为auto。

它也具有代码块作用域，无链接属性（none），自动存储期。

register只能修饰局部变量不能修饰全局变量！因为修饰全局变量会一直占用寄存器。

不能获取register变量的地址！

3、静态外部链接——用extern修饰的全局变量或函数

用extern修饰全局变量或者函数名，其他文件将可以访问该全局变量或者调用该函数。

如下所示：

extern int count;
void a(void)
{
   count++;
}

#include<stdio.h>
int count=3;
extern void a(void);
int main()
{
  a();
  printf("%d\n",count);
  return 0;
}

其实跟auto一样，extern不加也行：

int count;
void a(void)
{
   count++;
}

#include<stdio.h>
int count=3;
void a(void);
int main()
{
  a();
  printf("%d\n",count);
  return 0;
}

但程序中int count;会让人误以为又定义了一个新变量，其实它只是一个声明而已了，因此，最好还是加上extern。

静态外部链接存储类型具有文件作用域，外部链接属性（external），静态存储期。

4、静态内部链接——用static修饰全局变量或函数

用static修饰全局变量或者函数，其链接属性将由external变为internal,其作用范围被限制在当前文件，其他文件无法访问。

如果某个全局变量或者函数仅在当前文件有使用到，可以加上static。

静态内部链接存储类型具有文件作用域，internal链接属性和静态存储期。

5、静态无链接——用static修饰的局部变量

用static修饰局部变量，该变量的生存期将由自动存储期变为静态存储期，跟全局变量和函数一样，直到程序结束才销毁。

它具有代码块作用域，无链接属性（none），静态存储期。

不能用static修饰形参！

对比静态内部链接和静态无链接：

四、总结

从空间角度看变量，即想要认清一个变量，更准确的说法是一个标识符，它的势力范围是什么。

一个标识符的定义位置决定了它的作用域：
（1）在代码块中，在形参中，在for中定义的标识符具有代码块作用域；
（2）在代码块之外定义的标识符，包括全局变量和函数名具有文件作用域；
（3）函数声明中的形参具有函数原型作用域；（了解即可）
（4）单独对于goto语句的标签，其具有函数作用域。（知道就行）

无论什么标识符，都自带链接属性：
（1）具有文件作用域的标识符，即全局变量和函数名，具有external链接属性，拥有此属性也只是其他文件能访问的必要条件，而不是充分条件，还需要在其他文件中声明才能访问该变量（最好加上extern修饰）。
（2）除此之外，其他标识符都具有none链接属性，即具有代码块作用域，函数原型作用域，函数作用域的标识符都具有none链接属性。
（3）没有标识符天生就具有internal属性，但只有具有external链接属性的标识符才有资格变为internal属性，且该过程是不可逆的，通过static修饰全局变量或者函数，他们将变成静态全局变量和静态函数，其他文件无法访问，为本文件专用，就像皇家卫兵一样只服从于自己的King！

从时间角度来看，标识符有长寿的也有短命的
（1）有文件作用域的标识符长寿（静态存储期）
（2）有代码块作用域的标识符短命（自动存储期）

C语言的标识符通过作用域、链接属性、生存期可组合成多种存储方案：
其中存储期有2种，作用域主要的有2种，链接属性有3种，故理论上有12种存储方案：

其中只有5个有意义。

五、答疑

1、多文件编程中的文件作用域

待解答

2、具有文件作用域的标识符作用范围是单个文件还是多个文件？

具有文件作用域的标识符默认具有外部链接属性，也就是说是有作用于多个文件的潜力的，但光有潜力还不够，想要在另一个文件中访问当前文件中的标识符，必须在另一个文件中声明，全局变量最好加上extern关键字，函数可加可不加。

3、全局变量的存储类型是什么？

全局变量默认具有静态外部链接存储属性，加不加extern都一样，但最好是加上。

用static修饰的全局变量具有静态内部链接属性，仅在当前文件可以被访问。

4、哪些是局部变量？

（1）函数中包括main函数中定义的变量为局部变量
（2）形参变量为局部变量
（3）无缘无故定义一个代码块，代码块中定义的变量为局部变量
看下面这个例子：

#include<stdio.h>
int main()
{
	int i=0;
	//无缘无故定义一个代码块
	{
		int i=1;
		printf("代码块中i= %d\n",i);
	}
	printf("代码块外i= %d\n",i);
	return 0;
}
代码块中i= 1
代码块外i= 0

（4）for中定义的变量

#include<stdio.h>
int main()
{
	for(int i=0;i<3;i++)
	{
	  printf("i=%d\n",i);
	}
	 //printf("i=%d\n",i);超出i的作用域
	return 0;
}
i=0
i=1
i=2

参考资料

1、https://www.cnblogs.com/p0ise/p/c-language-linkage.html#:~:text=什么是链接属性,是否是同一个c。
2、https://blog.css8.cn/post/13758733.html
3、《C Primer Plus》
4、《带你学C带你飞》