C語言關(guān)鍵字auto與register的深入理解
關(guān)鍵字概述
很多朋友看到這兒可能會(huì)有疑問，往往其它講C語言的書籍都是從HelloWorld，數(shù)據(jù)類型開始C語言學(xué)習(xí)的，為什么我們要從C語言的關(guān)鍵字開始呢？關(guān)于這點(diǎn)，我有兩點(diǎn)需要說明：
本章節(jié)面向的讀者對(duì)象是有一定的C語言基礎(chǔ)知識(shí)的朋友（至少應(yīng)該學(xué)習(xí)過大學(xué)里的C語言程序設(shè)計(jì)等類似的課程）
本章節(jié)結(jié)合了作者多年嵌入式工作、研究、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)而作，由計(jì)算機(jī)底層硬件到上層軟件設(shè)計(jì)融會(huì)貫通，中間有大量的深入淺出的示例
在我對(duì)C語言進(jìn)行培訓(xùn)的時(shí)候，往往就是從C語言的關(guān)鍵字入手，因?yàn)镃語言的關(guān)鍵字蘊(yùn)含了C語言的全部的詞匯，囊括了C語言里大量知識(shí)要點(diǎn)，從C語言關(guān)鍵字開刀，首先可以對(duì)你之前所學(xué)知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)，其次，切磋一下和作者有什么不同的見解，廢話少說，讓我們從關(guān)鍵字開始。
關(guān)鍵字，又叫保留字，是編譯器能識(shí)別的特殊單詞，每種計(jì)算機(jī)語言都會(huì)有其特定的關(guān)鍵字，C語言中有32位關(guān)鍵字。
問：為什么要有關(guān)鍵字？
答：關(guān)鍵字是程序設(shè)計(jì)中代碼必須包含的部分，編譯器在編譯C代碼的時(shí)候，必然要將C代碼進(jìn)行斷句，將代碼分割成不同部分，將這些部分分別進(jìn)行解析和編譯。
int a = 10; int是關(guān)鍵字，編譯器看到它出現(xiàn)，會(huì)將它后面的字符作為整型變量名來處理。
也就是說，關(guān)鍵字是編譯器能認(rèn)識(shí)的特殊字符串符號(hào)。
關(guān)鍵字的數(shù)量是由編譯器來決定的，關(guān)鍵字大小寫敏感性也和編譯器有關(guān)。如果關(guān)鍵字寫錯(cuò)，那么在代碼的解析過程中，編譯器就會(huì)報(bào)錯(cuò)：符號(hào)不能識(shí)別或符號(hào)不能被解析。
每個(gè)關(guān)鍵字有著不同的意義，用來告知編譯器編程者的目的。
關(guān)鍵字分類
32個(gè)關(guān)鍵字每個(gè)都有不同的意義，大體上根據(jù)其意義可以分為以下幾類（下劃線表示不同分類中有交集）：
1)非常見：auto、register、volatile、goto
2)存儲(chǔ)相關(guān)：const、extern、register、volatile、static、auto、signed、unsigned
3)數(shù)據(jù)類型：char、short、int、float、long、double、struct、union、enum、void
4)邏輯控制：if、else、for、while、do、break、continue、return、default、switch、case、goto
5)特殊用途：sizeof、typedef
我相信，大部分關(guān)鍵字我們都能認(rèn)識(shí)，并且能夠使用，有一部分可能很少見，甚至一點(diǎn)印象也沒有：它也是C語言的關(guān)鍵字？？？
1.隱形刺客：auto
描述：auto關(guān)鍵字在我們寫的代碼里幾乎看不到，但是它又無處不在，它是如此的重要，又是如此的與世無爭，默默的履行著自己的義務(wù)，卻又隱姓埋名。
作用：C程序是面向過程的，在C代碼中會(huì)出現(xiàn)大量的函數(shù)模塊，每個(gè)函數(shù)都有其生命周期（也稱作用域），在函數(shù)生命周期中聲明的變量通常叫做局部變量，也叫自動(dòng)變量。例如：
int fun(){
int a = 10; // auto int a = 10;
// do something
return 0;
}
int fun(){
int a = 10; // auto int a = 10;
// do something
return 0;
}
整型變量a在fun函數(shù)內(nèi)聲明，其作用域?yàn)閒un函數(shù)內(nèi)，出來fun函數(shù)，不能被引用，a變量為自動(dòng)變量。也就是說編譯器會(huì)有int a = 10之前會(huì)加上auto的關(guān)鍵字。
auto的出現(xiàn)意味著，當(dāng)前變量的作用域?yàn)楫?dāng)前函數(shù)或代碼段的局部變量，意味著當(dāng)前變量會(huì)在內(nèi)存棧上進(jìn)行分配。
內(nèi)存棧：
如果大家學(xué)過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)該知道，棧就是先進(jìn)后出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它類似于我們用箱子打包書本，第一本扔進(jìn)去大英，第二本扔進(jìn)行高數(shù)，第三本扔進(jìn)行小說，那么取書的時(shí)候，先取出來第一本是小說，第二是高數(shù)，第三本是大英。
棧的操作為入棧和出棧，入棧就是向箱子里扔書，出棧就是從箱子里取書。那么這和我們的auto變量分配空間有什么關(guān)系呢？
由于一個(gè)程序中可能會(huì)有大量的變量聲明，每個(gè)變量都會(huì)占有一定的內(nèi)存空間，而內(nèi)存空間對(duì)于計(jì)算機(jī)來說是寶貴的硬件資源，因此合理的利用內(nèi)存是編譯器要做的一個(gè)主要任務(wù)。有的變量是一次性使用的，如局部變量。有的變量要伴隨著整個(gè)程序來使用的，如全局變量。為了節(jié)省內(nèi)存空間，優(yōu)化性能，編譯器通常會(huì)將一次性使用的變量分配在棧上。也就是說，代碼中聲明一個(gè)一次性變量，就在棧上進(jìn)行入棧操作。當(dāng)該變量使用完了（生命周期結(jié)束），進(jìn)行出棧操作。這樣，在執(zhí)行不同的函數(shù)的時(shí)候，就會(huì)在一個(gè)棧上進(jìn)行出入棧操作，也就是說它們?cè)陬l繁的使用一個(gè)相同的內(nèi)存空間，從而可以更高效的利用內(nèi)存。
PS：有的編譯器為了提高效率，在出棧時(shí)不會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)清空，這也就意味著，下個(gè)函數(shù)里的變量在入棧使用該空間時(shí)，里面的數(shù)據(jù)是上一次變量操作的結(jié)果。
2.閃電飛刀：register
描述：register就和它的名字一樣，很少出現(xiàn)在代碼世界中，因?yàn)楦曳Q為閃電飛刀的變量，通常只會(huì)在一些特定場合才能出現(xiàn)。它是如此的快，以致于CPU都對(duì)其刮目相看，但是它有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，它的速度“看心情”而定，不是每一次都能讓人滿意。
作用：如果一個(gè)變量被register來修辭，就意味著，該變量會(huì)作為一個(gè)寄存器變量，讓該變量的訪問速度達(dá)到最快。比如：一個(gè)程序邏輯中有一個(gè)很大的循環(huán)，循環(huán)中有幾個(gè)變量要頻繁進(jìn)行操作，這些變量可以聲明為register類型。
寄存器變量：寄存器變量是指一個(gè)變量直接引用寄存器，也就是對(duì)變量名的操作的結(jié)果是直接對(duì)寄存器進(jìn)行訪問。寄存器是CPU的親信，CPU操作的每個(gè)操作數(shù)和操作結(jié)果，都由寄存器來暫時(shí)保存，最后才寫入到內(nèi)存或從內(nèi)存中讀出。也就是說，變量的值通常保存在內(nèi)存中，CPU對(duì)變量進(jìn)行讀取先是將變量的值從內(nèi)存中讀取到寄存器中，然后進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算完將結(jié)果寫回到內(nèi)存中。為什么要這么設(shè)計(jì)，而不直接對(duì)變量的值從內(nèi)存中進(jìn)行運(yùn)算，而要再借助于寄存器？這是由于考慮到性能的問題才這么設(shè)計(jì)的。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，包含有很多種不同類型的存儲(chǔ)器，如表xxx所示。
表xxx 計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器分類
|
名稱 |
速度 |
特點(diǎn) |
用途 |
|
靜態(tài)存儲(chǔ)器 |
最快 |
造價(jià)高，體積大，適合小容量的緩存 |
寄存器，緩存 |
|
動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器 |
較快 |
造價(jià)較低，體積較小，適合大容易保存數(shù)據(jù) |
內(nèi)存 |
在計(jì)算機(jī)中CPU的運(yùn)算速度最快，現(xiàn)在都達(dá)到3GHZ左右，而相對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器速度卻相對(duì)慢很多，訪問速度最快的寄存器和緩存，由于其體積又大，不適合大容量的使用，所以只能二者相接合的方式來提高效率。程序代碼保存在內(nèi)存中，當(dāng)使用數(shù)據(jù)時(shí)，將其送到寄存器，讓CPU來訪問，使用完畢，送回內(nèi)存保存。而C語言又允許使用寄存器來保存變量的值，很明顯這樣能大大提高程序的執(zhí)行速度，但是，寄存器的個(gè)數(shù)是有限的，X86也就是十幾個(gè)，ARM最多才37個(gè)。我們不可能將全部的變量都聲明為寄存器變量，因?yàn)槠渌a也要使用寄存器，同樣，我們聲明的寄存器變量也不一定直接保存在寄存器中，因?yàn)榧拇嫫骺赡苋慷荚诒黄渌a占用。編譯器只能是盡量的為我們的變量安排在寄存器中。
在使用寄存器變量時(shí)，請(qǐng)注意：
待聲明為寄存器變量類型應(yīng)該是CPU寄存器所能接受的類型，意味著寄存器變量是單個(gè)變量，變量長度應(yīng)該小于等于寄存器長度
不能對(duì)寄存器變量使用取地址符“&”，因?yàn)樵撟兞繘]有內(nèi)存地址
盡量在大量頻繁的操作時(shí)使用寄存器變量，且聲明的變量個(gè)數(shù)應(yīng)該盡量的少
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