变量的时空限制

变量作用域(空间限制)

变量作用域描述了此变量名在文件（翻译单元）的多大范围可见。变量的作用域与程序块（block）有关。

例如，在函数中定义的变量可以在该函数中使用，但不能在其他函数中使用；而在文件中的函数定义之前定义的变量则可在所有函数中使用。

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局部变量和全局变量

我们可简单将定义的变量分为两类： 局部变量和全局变量 。

• 局部变量（Local Variable）

  • 在程序块内（函数、复合语句）中定义的变量

  • main()函数中定义的变量也是局部变量（main函数也是一个函数，只不过对于运行环境来说特殊一些）

• 全局变量（Global Variable )

  • 在所有函数之外定义的变量

  • 作用范围：从定义位置到文件结束

  • 作用：方便函数间的数据传递

  • 如在作用范围外的函数要使用此变量，用关键词extern在函数内说明此全局变量。（比如要在另一个文件中引用此变量）

//file 作用域示例.c

void Function();
int x = 1; int y = 2;					//全局变量
extern int z = 3;						//可被外部文件链接的全局变量

int main()
{   int i=0;							//作用域为main()的局部变量
    cout <<x << “, ”<<y<<endl;
    Function();
    return 0;
}

void  Function()
 {   int a = 0; 						//作用域为Function()的局部变量
     cout <<x << “, ”<<y<<endl;
 }

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规则

变量作用域遵循以下几个规则：

• 在程序块（block）中说明的变量是局部的，仅能在本块中和内部的块中存取。

  如下程序中的i作用域只在for循环内（for是一个程序块而非函数），当跳出for循环后，i变量就无法被外部的main()读取到。

  int main()
   {   int sum = 0, m;									//		sum，m作用域
       for (int i=0; i<5; i++)			// 	  i作用域					|
       {									//		|					  |
           cout<< "input a nmuber:";		//		|					  |
           cin>>m;						//		|					  |
           sum = sum + m;					//    	|				      |
       }									//	  i作用域					|
       cout << "sum = "<< sum << endl;					//			  |
       return 0;											//		sum, m作用域
  }
  

• 当内部块与外部块有同名变量时，在内部块中屏蔽外部块的同名变量。（简单来说，就近原则，看最近的定义）

  • 当局部变量与全局变量同名时，会按照就近原则选取变量，如main()函数中没有定义x,y变量，则选取全局定义的x,y变量值。而Function()函数中重新定义了局部变量x,y，因此在Function()函数中就直接用定义局部变量的值。可见下程序运行结果。

  void Function();
  int x = 1; int y = 2;
  
  int main()
  {
      cout <<"x="<<x<<"  y=" <<y<<endl;
      Function();
      return 0;
  }
  
  void  Function()
  {   int x=2, y=1 ;
       cout <<"x="<<x<<"  y=" <<y<<endl;
  }
  
  //output 
  //x=1 y=2
  //x=2 y=1
  

  • 如果目前的程序块中有局部变量与程序的全局变量重名，那么如何调用全局变量？使用作用域限定符::

  // C++ program to show that we can access a global
  // variable using scope resolution operator :: when
  // there is a local variable with same name
  #include<iostream>
  using namespace std;
  
  // Global x
  int x = 0;
  
  int main()
  {
      // Local x
      int x = 10;
      cout << "Value of global x is " << ::x;
      cout<< "\nValue of local x is " << x;
      return 0;
  }
  

  • 当实际参数与形式参数同名时，可见下程序运行结果。形参值改变不影响与其同名的实参值

  void Function(int x,  int y) ;
  
  int main()
  {   
      int x = 1; int y = 2;
      cout <<"x="<<x<<"  y=" <<y<<endl;
      Function(x,y);
      return 0;
  }
  
  void Function(int x,  int y)
   {
       x=2; y=1 ;
       cout <<"x="<<x<<"  y=" <<y<<endl;
   }
  
  //output 
  //x=1 y=2
  //x=2 y=1
  

  • 注意形式参数不可以和局部变量同名。也就是在函数内不能定义与形式变量同名的变量。

• 在一个函数中，我们不能存取主调函数（caller）的变量，即使知道该变量的名字。

  比如函数A调用了函数B，那在函数B中也无法调用函数A中定义的变量（即使知道该变量的名字）。

以上总结一下：

• 在程序块（block）中说明的变量是局部的，仅能在本块中和内部的块中存取。

• 当内部块与外部块有同名变量时，在内部块中屏蔽外部块的同名变量。

• 在一个函数中，我们不能存取主调函数（caller）的变量，即使知道该变量的名字。

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全局变量使用须知

• 一般使用的情况

  • 当多个函数必须共享同一个变量时

  • 当少数几个函数必须共享大量数据时；

• 全局变量破坏了模块化，建议尽量少使用！

• 当全局变量和局部变量同名时，在局部变量的作用范围中全局变量被屏蔽。如果要使用全局变量，可以使用作用域运算符::。

• 全局变量的使用将在模块化设计中详细介绍。

变量生存时限（时间限制）

变量的生存时限主要涉及到static关键字的使用。也就是静态(static)变量

我们知道一般在调用函数时，被调用函数内部的变量都是重新初始化的，这保证了每一次调用函数都能得到相同的结果，使函数变得通用（这也是我们定义函数的意义）。这样被调用函数中的变量生存时间就很短，在每次被调用时初始化，调用结束时被回收。

如下程序中的count变量，在main()函数每次调用demo()时重新定义初始化，并在调用结束后被回收。这样的过程总共持续了5次。因此我们可以认为在程序执行过程中出现了五个count变量（或许称为count1 count2 count3 count4 count5）。它们的行为都是相同的。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

void demo()
{
	int count = 0;
	cout << count << " ";
	count++;
}

int main()
{
	for (int i=0; i<5; i++) 
		demo();
	return 0;
}

//output
//0 0 0 0 0

但有时我们需要函数中的变量在整个运行程序中都持续存在，比如要记录调用了demo()函数的次数，此时我们就要延长count变量的生存时间，不让其在demo()被调用完后就被回收。

static关键字就起到这个作用，在修饰变量的时候，static修饰的静态局部变量只执行初始化一次，而且延长了局部变量的生命周期，直到程序运行结束以后才释放，且不改变作用域。如下程序

// C++ program to demonstrate
// the use of static Static
// variables in a Function
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

void demo()
{
	// static variable
	static int count = 0;
	cout << count << " ";
	// value is updated and
	// will be carried to next
	// function calls
	count++;
}

int main()
{
	for (int i=0; i<5; i++) 
		demo();
	return 0;
}

//output
//0 1 2 3 4

静态变量使用须知

1. 未被程序员初始化的静态变量都由系统初始化为0

2. 局部静态变量的初值是编译时赋的。当运行时重复调用此函数时，不重复赋初值。

3. 虽然局部静态变量在函数调用结束后仍然存在，但其他函数不能引用它

4. 局部的静态变量在程序执行结束时消亡

5. 用static还可以用在函数定义或说明中。该函数只能被用于本源文件中，其他源文件不能调用此函数（达到了隐藏的作用）

C++内存布局(Memory Layout)

static变量只是C++存储类别中的一种，因为存储类别的不同，定义的变量将会有不同的特性，如static variable的主要特性就在前介绍了。

存储类别

• 在C++语言中 ，每个变量有两个属性：

  • 数据类型：变量所存储的数据类型

  • 存储类别：变量的存储位置和期限

• 标准的变量定义： 存储类别    数据类型    变量名 如 static  int  count

• 存储类别主要有四类

  • 自动变量 auto

  • 静态变量 static

  • 寄存器变量 register

  • 外部变量 extern

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内存布局

之所以称为存储类别，是因为在一个C++语言生成的可执行文件在内存中有不同的存储位置。

典型的可执行文件可分为两部分

• 代码段（.text），由编译后的机器指令组成，为只读

• 数据段：

  • 初始化的数据段（initialized data segment）：也称.data 段，需要与内存进行数据交互

  • 未初始化的数据段（uninitialized data segment）:也称.bss（ block stated by symbol ）段，此段的变量只有名称和大小，没有值（故无需内存数据交互）

  • 栈（.stack）：存储动态数据

  • 堆（.heap）：动态内存布局（由C++中的new）

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下面介绍各个不同存储类别的变量在内存不居中的位置及其特性

• 自动变量 auto

  在函数内或块内定义的变量缺省时是auto。如auto  int i等价于 int i; 也就是说我们平时定义的变量都是自动变量，其有以下特性

  • 当函数被调用时，系统为自动变量分配空间（栈中以桢的形式保存）

  • 当退出时，系统释放分配给自动变量的值

  • 当再次进入该块时，系统重新分配空间

  简单来说，就是auto变量存储在栈(.stack)中，每次被调用时被分配到栈中，调用结束就出栈。

  *注意C++11后auto关键字被用于自动推断变量类型，自动变量无需再用auto*说明

• 静态变量 static

  静态变量就是在整个程序运行期间都存在的变量，当程序开始运行时就加载到内存中，程序完全退出时一起释放内存。

  • 存储位置：.bss或.data区别在于其是否初始化。

  • 静态的局部变量：离开函数后，值仍保留

  • 静态的全局变量：作用域为整个文件，就算有extern也无法跨文件访问，会触发linkage error（也就是作用域为此文件，其他文件无法引用）

• 寄存变量 register

  代替自动变量或形参，可以提高变量的访问速度（因为处理器访问寄存器的速度是最快的）。

  • 存储位置：寄存器

  • 如无合适的寄存器可用，则编译器把它设为自动变量。

  • 只有局部自动变量才能定义为寄存器变量，全局变量和静态局部变量不能定义。

• 外部变量 extern

  声明一个不在本模块作用范围内的全局变量。主要用于多文件编译程序，目前大家都只用一个文件运行可能不需要考虑这个类型的变量，但在较大工程中的代码规范必然会用到extern变量。

  • 在某函数中引用了一个声明在本函数后的全局变量时，需要在函数内用extern声明此全局变量

  • 当一个程序有多个源文件组成时，用extern可引用另一文件中的全局变量。