变量的作用域和存储期
作用域是从空间的角度来分析的,归纳起来,变量有4种不同的作用域、文件作用域(file scope)、函数作用域(function scope)、块作用域(block scope)和函数原型作用域(function prototype scope)。文件作用域是全局的,其他三者是局部的。
 
存储期是指变量在内存中的存在期间。这是从变量值存在的时间角度来分析的。存储期可以分为静态存储期(static storage duration)和动态存储期(dynamic storage duration)。这是由变量的静态存储方式和动态存储方式决定的。
 
变量除了有数据类型的属性之外,还有存储类别(storage class) 的属性。存储类别指的是数据在内存中存储的方法。存储方法分为静态存储和动态存储两大类。具体包含4种:自动的(auto)、静态的(static)、寄存器的(register)和外部的(extern)。根据变量的存储类别,可以知道变量的作用域和存储期。
 
自动变量
 
函数中的局部变量,如果不用关键字static加以声明,编译系统对它们是动态地分配存储空间的。函数的形参和在函数中定义的变量(包括在复合语句中定义的变量)都属此类。在调用该函数时,系统给形参和函数中定义的变量分配存储空间,数据存储在动态存储区中。在函数调用结束时就自动释放这些空间。如果是在复合语句中定义的变量,则在变量定义时分配存储空间,在复合语句结束时自动释放空间。因此这类局部变量称为自动变量(auto variable)。自动变量用关键字auto作存储类别的声明。例如:
int f(int a)                   //定义f函数,a为形参
{auto int b,c=3;             //定义b和c为整型的自动变量
存储类别auto和数据类型int的顺序任意。关键字auto可以省略,如果不写auto,则系统把它默认为自动存储类别,它属于动态存储方式。程序中大多数变量属于自动变量。在函数体中以下两种写法作用相同:
auto int b,c=3
int b,c=3
 
 
static声明静态局部变量
有时希望函数中的局部变量的值在函数调用结束后不消失而保留原值,即其占用的存储单元不释放,在下一次该函数调用时,该变量保留上一次函数调用结束时的值。这时就应该指定该局部变量为静态局部变量(static local variable)
 
对静态局部变量的说明:
(1) 静态局部变量在静态存储区内分配存储单元。在程序整个运行期间都不释放。而自动变量(即动态局部变量)属于动态存储类别,存储在动态存储区空间(而不是静态存储区空间),函数调用结束后即释放。
(2) 为静态局部变量赋初值是在编译时进行值的,即只赋初值一次,在程序运行时它已有初值。以后每次调用函数时不再重新赋初值而只是保留上次函数调用结束时的值。而为自动变量赋初值,不是在编译时进行的,而是在函数调用时进行,每调用一次函数重新给一次初值,相当于执行一次赋值语句。
 
(3) 如果在定义局部变量时不赋初值的话,对静态局部变量来说,编译时自动赋初值0(对数值型变量)或空字符(对字符型变量)。而对自动变量来说,如果不赋初值,则它的值是一个不确定的值。这是由于每次函数调用结束后存储单元已释放,下次调用时又重新另分配存储单元,而所分配的单元中的值是不确定的。
(4) 虽然静态局部变量在函数调用结束后仍然存在,但其他函数是不能引用它的,也就是说,在其他函数中它是不可见的。
 
在什么情况下需要用局部静态变量呢?
(1) 需要保留函数上一次调用结束时的值。例如可以用下例中的方法求n!。
 
4.13 输出1~5的阶乘值(1,2,3,4,5)
#include <iostream>
using namespace std;
int fac(int);                    //函数声明
int main( )
 {int i;
  for(i=1;i<=5;i++)
   cout<<i<<!=<<fac(i)<<endl;
return 0;
 }
int fac(int n)
 {static int f=1;                    //f为静态局部变量,函数结束时f的值不释放
  f=f*n;                             //f原值基础上乘以n
  return f;
 }
 
运行结果为
1!=1
2!=2
3!=6
4!=24
5!=120
每次调用fac(i),就输出一个i,同时保留这个i!的值,以便下次再乘(i+1)
(2) 如果初始化后,变量只被引用而不改变其值,则这时用静态局部变量比较方便,以免每次调用时重新赋值。
但是应该看到,用静态存储要多占内存,而且降低了程序的可读性,当调用次数多时往往弄不清静态局部变量的当前值是什么。因此,如不必要,不要多用静态局部变量。
 
 
register声明寄存器变量
一般情况下,变量的值是存放在内存中的。当程序中用到哪一个变量的值时,由控制器发出指令将内存中该变量的值送到CPU中的运算器。经过运算器进行运算,如果需要存数,再从运算器将数据送到内存存放。
 
为提高执行效率,C++允许将局部变量的值放在CPU中的寄存器中,需要用时直接从寄存器取出参加运算,不必再到内存中去存取。这种变量叫做寄存器变量,用关键字register作声明。例如,可以将例4.14中的fac函数改写如下:
 int fac(int n)
 {register int i,f=1;          //定义if是寄存器变量
  for(i=1;i<=n;i++) f=f*i;
  return f;
 }
定义fi是存放在寄存器的局部变量,如果n的值大,则能节约许多执行时间。
在程序中定义寄存器变量对编译系统只是建议性(而不是强制性)的。当今的优化编译系统能够识别使用频繁的变量,自动地将这些变量放在寄存器中。
        
extern声明外部变量
全局变量(外部变量)是在函数的外部定义的,它的作用域为从变量的定义处开始,到本程序文件的末尾。在此作用域内,全局变量可以为本文件中各个函数所引用。编译时将全局变量分配在静态存储区。
有时需要用extern来声明全局变量,以扩展全局变量的作用域。
 
1. 在一个文件内声明全局变量
如果外部变量不在文件的开头定义,其有效的作用范围只限于定义处到文件终了。如果在定义点之前的函数想引用该全局变量,则应该在引用之前用关键字extern对该变量作外部变量声明,表示该变量是一个将在下面定义的全局变量。有了此声明,就可以从声明处起,合法地引用该全局变量,这种声明称为提前引用声明。
4.14 extern对外部变量作提前引用声明,以扩展程序文件中的作用域。
#include <iostream>
using namespace std;
int max(int,int);              //函数声明
void main( )
 {extern int a,b;               //对全局变量a,b作提前引用声明
  cout<<max(a,b)<<endl;
 }
int a=15,b=-7;                  //定义全局变量a,b
int max(int x,int y)
 {int z;
  z=x>y?xy;
  return z;
 }
运行结果如下:
15
main后面定义了全局变量ab,但由于全局变量定义的位置在函数main之后,因此如果没有程序的第5行,在main函数中是不能引用全局变量ab的。现在我们在main函数第2行用externab作了提前引用声明,表示ab是将在后面定义的变量。这样在main函数中就可以合法地使用全局变量ab了。如果不作extern声明,编译时会出错,系统认为ab未经定义。一般都把全局变量的定义放在引用它的所有函数之前,这样可以避免在函数中多加一个extern声明。
2. 在多文件的程序中声明外部变量
如果一个程序包含两个文件,在两个文件中都要用到同一个外部变量num,不能分别在两个文件中各自定义一个外部变量num。正确的做法是:在任一个文件中定义外部变量num,而在另一文件中用externnum作外部变量声明。即
extern int num;
编译系统由此知道num是一个已在别处定义的外部变量,它先在本文件中找有无外部变量num,如果有,则将其作用域扩展到本行开始,如果本文件中无此外部变量,则在程序连接时从其他文件中找有无外部变量num,如果有,则把在另一文件中定义的外部变量num的作用域扩展到本文件,在本文件中可以合法地引用该外部变量num
分析下例:
file1.cpp                                             file2.cpp
extern int a,b;                                   int a=3,b=4;
int main( )                                        
{cout<<a<<,<<b<<endl;  
 return 0;
}
extern扩展全局变量的作用域,虽然能为程序设计带来方便,但应十分慎重,因为在执行一个文件中的函数时,可能会改变了该全局变量的值,从而会影响到另一文件中的函数执行结果。