C++變量的存儲類別（動態(tài)存儲、靜態(tài)存儲、自動變量、寄存器變量、外部變量）
動態(tài)存儲方式與靜態(tài)存儲方式

我們已經(jīng)了解了變量的作用域。作用域是從空間的角度來分析的，分為全局變量和局部變量。

變量還有另一種屬性——存儲期(storage duration，也稱生命期)。存儲期是指變量在內(nèi)存中的存在期間。這是從變量值存在的時間角度來分析的。存儲期可以分為靜態(tài)存儲期(static storage duration)和動態(tài)存儲期(dynamic storage duration)。這是由變量的靜態(tài)存儲方式和動態(tài)存儲方式?jīng)Q定的。

所謂靜態(tài)存儲方式是指在程序運行期間，系統(tǒng)對變量分配固定的存儲空間。而動態(tài)存儲方式則是在程序運行期間，系統(tǒng)對變量動態(tài)地分配存儲空間。

先看一下內(nèi)存中的供用戶使用的存儲空間的情況。這個存儲空間可以分為三部分，即：

1. 程序區(qū)
2. 靜態(tài)存儲區(qū)
3. 動態(tài)存儲區(qū)
   

數(shù)據(jù)分別存放在靜態(tài)存儲區(qū)和動態(tài)存儲區(qū)中。全局變量全部存放在靜態(tài)存儲區(qū)中，在程序開始執(zhí)行時給全局變量分配存儲單元，程序執(zhí)行完畢就釋放這些空間。在程序執(zhí)行過程中它們占據(jù)固定的存儲單元，而不是動態(tài)地進行分配和釋放。

在動態(tài)存儲區(qū)中存放以下數(shù)據(jù)：
函數(shù)形式參數(shù)。在調(diào)用函數(shù)時給形參分配存儲空間。
函數(shù)中的自動變量(未加static聲明的局部變量，詳見后面的介紹)。
函數(shù)調(diào)用時的現(xiàn)場保護和返回地址等。

對以上這些數(shù)據(jù)，在函數(shù)調(diào)用開始時分配動態(tài)存儲空間，函數(shù)結(jié)束時釋放這些空間。在程序執(zhí)行過程中，這種分配和釋放是動態(tài)的，如果在一個程序中兩次調(diào)用同一函數(shù)，則要進行兩次分配和釋放，而兩次分配給此函數(shù)中局部變量的存儲空間地址可能是不相同的。

如果在一個程序中包含若干個函數(shù)，每個函數(shù)中的局部變量的存儲期并不等于整個程序的執(zhí)行周期，它只是整個程序執(zhí)行周期的一部分。根據(jù)函數(shù)調(diào)用的情況，系統(tǒng)對局部變量動態(tài)地分配和釋放存儲空間。

在C++中變量除了有數(shù)據(jù)類型的屬性之外，還有存儲類別(storage class) 的屬性。存儲類別指的是數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存儲的方法。存儲方法分為靜態(tài)存儲和動態(tài)存儲兩大類。具體包含4種：自動的(auto)、靜態(tài)的(static)、寄存器的(register)和外部的(extern)。根據(jù)變量的存儲類別，可以知道變量的作用域和存儲期。
自動變量

函數(shù)中的局部變量，如果不用關(guān)鍵字static加以聲明，編譯系統(tǒng)對它們是動態(tài)地分配存儲空間的。函數(shù)的形參和在函數(shù)中定義的變量(包括在復(fù)合語句中定義的變量)都屬此類。在調(diào)用該函數(shù)時，系統(tǒng)給形參和函數(shù)中定義的變量分配存儲空間，數(shù)據(jù)存儲在動態(tài)存儲區(qū)中。在函數(shù)調(diào)用結(jié)束時就自動釋放這些空間。如果是在復(fù)合語句中定義的變量，則在變量定義時分配存儲空間，在復(fù)合語句結(jié)束時自動釋放空間。因此這類局部變量稱為自動變量(auto variable)。自動變量用關(guān)鍵字auto作存儲類別的聲明。例如：

int f(int a) //定義f函數(shù)，a為形參
{
  auto int b, c=3; //定義b和c為整型的自動變量
}

存儲類別auto和數(shù)據(jù)類型int的順序任意。關(guān)鍵字auto可以省略，如果不寫auto，則系統(tǒng)把它默認為自動存儲類別，它屬于動態(tài)存儲方式。程序中大多數(shù)變量屬于自動變量。本教程前面各章所介紹的例子中，在函數(shù)中定義的變量都沒有聲明為auto，其實都默認指定為自動變量。在函數(shù)體中以下兩種寫法作用相同：

auto int b, c=3;
int b, c=3;

用static聲明靜態(tài)局部變量

有時希望函數(shù)中的局部變量的值在函數(shù)調(diào)用結(jié)束后不消失而保留原值，即其占用的存儲單元不釋放，在下一次該函數(shù)調(diào)用時，該變量保留上一次函數(shù)調(diào)用結(jié)束時的值。這時就應(yīng)該指定該局部變量為靜態(tài)局部變量(static local variable)。

【例】靜態(tài)局部變量的值。

#include <iostream>
using namespace std;
int f(int a) //定義f函數(shù),a為形參
{
  auto int b=0; //定義b為自動變量
  static int c=3; //定義c為靜態(tài)局部變量
  b=b+1;
  c=c+1;
  return a+b+c;
}
int main( )
{
  int a=2,i;
  for(i=0;i<3;i++)
  cout<<f(a)<<" ";
  cout<<endl;
  return 0;
}

運行結(jié)果為：

7 8 9

先后3次調(diào)用f函數(shù)時，b和c的值如表所示。

對靜態(tài)局部變量的說明：
靜態(tài)局部變量在靜態(tài)存儲區(qū)內(nèi)分配存儲單元。在程序整個運行期間都不釋放。而自動變量(即動態(tài)局部變量)屬于動態(tài)存儲類別，存儲在動態(tài)存儲區(qū)空間(而不是靜態(tài)存儲區(qū)空間)，函數(shù)調(diào)用結(jié)束后即釋放。
為靜態(tài)局部變量賦初值是在編譯時進行值的，即只賦初值一次，在程序運行時它已有初值。以后每次調(diào)用函數(shù)時不再重新賦初值而只是保留上次函數(shù)調(diào)用結(jié)束時的值。而為自動變量賦初值，不是在編譯時進行的，而是在函數(shù)調(diào)用時進行，每調(diào)用一次函數(shù)重新給一次初值，相當(dāng)于執(zhí)行一次賦值語句。
如果在定義局部變量時不賦初值的話，對靜態(tài)局部變量來說，編譯時自動賦初值0(對數(shù)值型變量)或空字符(對字符型變量)。而對自動變量來說，如果不賦初值，則它的值是一個不確定的值。這是由于每次函數(shù)調(diào)用結(jié)束后存儲單元已釋放，下次調(diào)用時又重新另分配存儲單元，而所分配的單元中的值是不確定的。
雖然靜態(tài)局部變量在函數(shù)調(diào)用結(jié)束后仍然存在，但其他函數(shù)是不能引用它的，也就是說，在其他函數(shù)中它是“不可見”的。

在什么情況下需要用局部靜態(tài)變量呢？

1) 需要保留函數(shù)上一次調(diào)用結(jié)束時的值。例如可以用下例中的方法求n!。

【例】輸出1~5的階乘值(即1!，2!，3!，4!，5!)。

#include <iostream>
using namespace std;
int fac(int); //函數(shù)聲明
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為靜態(tài)局部變量，函數(shù)結(jié)束時f的值不釋放
  f=f*n; //在f原值基礎(chǔ)上乘以n
  return f;
}

運行結(jié)果為

1!=1
2!=2
3!=6
4!=24
5!=120

每次調(diào)用fac(i)，就輸出一個i，同時保留這個i!的值，以便下次再乘(i+1)。

2) 如果初始化后，變量只被引用而不改變其值，則這時用靜態(tài)局部變量比較方便，以免每次調(diào)用時重新賦值。 但是應(yīng)該看到，用靜態(tài)存儲要多占內(nèi)存，而且降低了程序的可讀性，當(dāng)調(diào)用次數(shù)多時往往弄不清靜態(tài)局部變量的當(dāng)前值是什么。因此，如不必要，不要多用靜態(tài)局部變量。
用register聲明寄存器變量

一般情況下，變量的值是存放在內(nèi)存中的。當(dāng)程序中用到哪一個變量的值時，由控制器發(fā)出指令將內(nèi)存中該變量的值送到CPU中的運算器。經(jīng)過運算器進行運算，如果需要存數(shù)，再從運算器將數(shù)據(jù)送到內(nèi)存存放。如圖所示。

為提高執(zhí)行效率，C++允許將局部變量的值放在CPU中的寄存器中，需要用時直接從寄存器取出參加運算，不必再到內(nèi)存中去存取。這種變量叫做寄存器變量，用關(guān)鍵字register作聲明。例如，可以將例4.14中的fac函數(shù)改寫如下：

int fac(int n)
{
  register int i,f=1; //定義i和f是寄存器變量
  for(i=1;i<=n;i++) f=f*i;
  return f;
}

定義f和i是存放在寄存器的局部變量，如果n的值大，則能節(jié)約許多執(zhí)行時間。

在程序中定義寄存器變量對編譯系統(tǒng)只是建議性(而不是強制性)的。當(dāng)今的優(yōu)化編譯系統(tǒng)能夠識別使用頻繁的變量，自動地將這些變量放在寄存器中。
用extern聲明外部變量

全局變量(外部變量)是在函數(shù)的外部定義的，它的作用域為從變量的定義處開始，到本程序文件的末尾。在此作用域內(nèi)，全局變量可以為本文件中各個函數(shù)所引用。編譯時將全局變量分配在靜態(tài)存儲區(qū)。

有時需要用extern來聲明全局變量，以擴展全局變量的作用域。

1) 在一個文件內(nèi)聲明全局變量
如果外部變量不在文件的開頭定義，其有效的作用范圍只限于定義處到文件終了。如果在定義點之前的函數(shù)想引用該全局變量，則應(yīng)該在引用之前用關(guān)鍵字extern對該變量作外部變量聲明，表示該變量是一個將在下面定義的全局變量。有了此聲明，就可以從聲明處起，合法地引用該全局變量，這種聲明稱為提前引用聲明。

【例】用extern對外部變量作提前引用聲明，以擴展程序文件中的作用域。

#include <iostream>
using namespace std;
int max(int,int); //函數(shù)聲明
void main( )
{
  extern int a,b;//對全局變量a,b作提前引用聲明
  cout<<max(a,b)<<endl;
}
int a=15,b=-7;//定義全局變量a,b
int max(int x,int y)
{
  int z;
  z=x>y?x:y;
  return z;
}

運行結(jié)果如下：

15

在main后面定義了全局變量a，b，但由于全局變量定義的位置在函數(shù)main之后，因此如果沒有程序的第5行，在main函數(shù)中是不能引用全局變量a和b的?，F(xiàn)在我們在main函數(shù)第2行用extern對a和b作了提前引用聲明，表示a和b是將在后面定義的變量。這樣在main函數(shù)中就可以合法地使用全局變量a和b了。如果不作extern聲明，編譯時會出錯，系統(tǒng)認為a和b未經(jīng)定義。一般都把全局變量的定義放在引用它的所有函數(shù)之前，這樣可以避免在函數(shù)中多加一個extern聲明。

2) 在多文件的程序中聲明外部變量
如果一個程序包含兩個文件，在兩個文件中都要用到同一個外部變量num，不能分別在兩個文件中各自定義一個外部變量num。正確的做法是：在任一個文件中定義外部變量num，而在另一文件中用extern對num作外部變量聲明。即
 

  extern int num;

編譯系統(tǒng)由此知道num是一個已在別處定義的外部變量，它先在本文件中找有無外部變量num，如果有，則將其作用域擴展到本行開始(如上節(jié)所述)，如果本文件中無此外部變量，則在程序連接時從其他文件中找有無外部變量num，如果有，則把在另一文件中定義的外部變量num的作用域擴展到本文件，在本文件中可以合法地引用該外部變量num。

分析下例：
filel.cpp

extern int a,b;
int main()
{
  cout<<a<<","<<b<<end!;
  return 0;
}

file2.cpp
int as3,b=4;

┆

在源程序文件ffle2.cpp中定義了整型變量a和b，并賦了初值。在filel.cpp中用extern聲明外部變量a和b，未賦值。在編譯連接成一個程序后，file2.cpp中的a和b的作用域擴展到file2.cpp文件中，因此main函數(shù)中的cout語句輸出a和b的值為3和4。

用extern擴展全局變量的作用域，雖然能為程序設(shè)計帶來方便，但應(yīng)十分慎重，因為在執(zhí)行一個文件中的函數(shù)時，可能會改變了該全局變量的值，從而會影響到另一文件中的函數(shù)執(zhí)行結(jié)果。
用static聲明靜態(tài)外部變量

有時在程序設(shè)計中希望某些外部變量只限于被本文件引用，而不能被其他文件引用。這時可以在定義外部變量時加一個static聲明。例如：
file1.cpp

static int a=3;
int main ( )
{
  ┆
}

file2.cpp

extern int a;
int fun (int n)
{
  ┆
  a=a*n;
  ┆
}

在filel.cpp中定義了一個全局變量a，但它用static聲明，因此只能用于本文件，雖然 在cpp文件中用了“extern int a;”，但file2.cpp文件中仍然無法使用filel.cpp中的全局變量a。

這種加上static聲明、只能用于本文件的外部變量(全局變量)稱為靜態(tài)外部變量。這就為程序的模塊化、通用性提供了方便。如果已知道其他文件不需要引用本文件的全局變量，可以對本文件中的全局變量都加上static，成為靜態(tài)外部變量，以免被其他文件誤用。

需要指出，不要誤認為用static聲明的外部變量才采用靜態(tài)存儲方式(存放在靜態(tài)存儲區(qū)中)，而不加static的是動態(tài)存儲(存放在動態(tài)存儲區(qū))。實際上，兩種形式的外部變量都用靜態(tài)存儲方式，只是作用范圍不同而已，都是在編譯時分配內(nèi)存的。

C++變量屬性小結(jié)
一個變量除了數(shù)據(jù)類型以外，還有3種屬性：
存儲類別 C++允許使用auto，static，register和extern 4種存儲類別。
作用域 指程序中可以引用該變量的區(qū)域。
存儲期 指變量在內(nèi)存的存儲期限。

以上3種屬性是有聯(lián)系的，程序設(shè)計者只能聲明變量的存儲類別，通過存儲類別可以確定變量的作用域和存儲期。

要注意存儲類別的用法。auto， static和register 3種存儲類別只能用于變量的定義語句中，如：

  auto char c; //字符型自動變量，在函數(shù)內(nèi)定義
  static int a; //靜態(tài)局部整型變量或靜態(tài)外部整型變量
  register int d; //整型寄存器變量，在函數(shù)內(nèi)定義
  extern int b; //聲明一個已定義的外部整型變量

說明： extern只能用來聲明已定義的外部變量，而不能用于變量的定義。只要看到extern，就可以判定這是變量聲明，而不是定義變量的語句。

下面從不同角度分析它們之間的聯(lián)系。

1) 從作用域角度分，有局部變量和全局變量。它們采用的存儲類別如下：
局部變量
自動變量，即動態(tài)局部變量(離開函數(shù)，值就消失)
靜態(tài)局部變量(離開函數(shù)，值仍保留)
寄存器變量(離開函數(shù)，值就消失)
形式參數(shù)(可以定義為自動變量或寄存器變量)
全局變量
靜態(tài)外部變量(只限本文件引用)
外部變量(即非靜態(tài)的外部變量，允許其他文件引用)
2) 從變量存儲期(存在的時間)來區(qū)分，有動態(tài)存儲和靜態(tài)存儲兩種類型。靜態(tài)存儲是程序整個運行時間都存在，而動態(tài)存儲則是在調(diào)用函數(shù)時臨時分配單元。
動態(tài)存儲
自動變量(本函數(shù)內(nèi)有效)
寄存器變量(本函數(shù)內(nèi)有效)
形式參數(shù)
靜態(tài)存儲
靜態(tài)局部變量(函數(shù)內(nèi)有效)
靜態(tài)外部變量(本文件內(nèi)有效)
外部變量(其他文件可引用)

3) 從變量值存放的位置。可分為：
內(nèi)存中靜態(tài)存儲區(qū)
靜態(tài)局部變量
靜態(tài)外部變量(函數(shù)外部靜態(tài)變量)
外部變量(可為其他文件引用)
內(nèi)存中動態(tài)存儲區(qū)：  自動變量和形式參數(shù)
CPU 中的寄存器： 寄存器變量

4) 關(guān)于作用域和存儲期的概念。

從前面敘述可以知道，對一個變量的性質(zhì)可以從兩個方面分析，一是從變量的作用域，一是從變量值存在時間的長短，即存儲期。前者是從空間的角度，后者是從時間的角度。二者有聯(lián)系但不是同一回事。下圖是作用域的示意圖，下圖是存儲期的示意圖。

如果一個變量在某個文件或函數(shù)范圍內(nèi)是有效的，則稱該文件或函數(shù)為該變量的作用域，在此作用域內(nèi)可以引用該變量，所以又稱變量在此作用域內(nèi)“可見”，這種性質(zhì)又稱為變量的可見性，例如圖中變量a?b在函數(shù)f1中可見。

如果一個變量值在某一時刻是存在的，則認為這一時刻屬于該變量的存儲期，或稱該變量在此時刻“存在”。下表表示各種類型變量的作用域和存在性的情況。

其中“√”表示是，“X”表示否?？梢钥吹阶詣幼兞亢图拇嫫髯兞吭诤瘮?shù)內(nèi)的可見性和存在性是一致的。在函數(shù)外的可見性和存在性也是一致的。靜態(tài)局部變量在函數(shù)外的可見性和存在性不一致。靜態(tài)外部變量和外部變量的可見性和存在性是一致的。

如果一個變量在某個文件或函數(shù)范圍內(nèi)是有效的，則稱該文件或函數(shù)為該變量的作用域，在此作用域內(nèi)可以引用該變量，所以又稱變量在此作用域內(nèi)“可見”，這種性質(zhì)又稱為變量的可見性，例如圖中變量a?b在函數(shù)f1中可見。

如果一個變量值在某一時刻是存在的，則認為這一時刻屬于該變量的存儲期，或稱該變量在此時刻“存在”。書中表表示各種類型變量的作用域和存在性的情況。
可以看到自動變量和寄存器變量在函數(shù)內(nèi)的可見性和存在性是一致的。在函數(shù)外的可見性和存在性也是一致的。靜態(tài)局部變量在函數(shù)外的可見性和存在性不一致。靜態(tài)外部變量和外部變量的可見性和存在性是一致的。

5) static聲明使變量采用靜態(tài)存儲方式，但它對局部變量和全局變量所起的作用不同。

對局部變量來說，static使變量由動態(tài)存儲方式改變?yōu)殪o態(tài)存儲方式。而對全局變量來說，它使變量局部化(局部于本文件)，但仍為靜態(tài)存儲方式。從作用域角度看，凡有static聲明的，其作用域都是局限的，或者局限于本函數(shù)內(nèi)(靜態(tài)局部變量)，或者局限于本文件內(nèi)(靜態(tài)外部變量)。

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