【C语言】 作用域和存储期

一、作用域

1、概念：

\quad C语言中，标识符都有一定的可见范围，这些可见范围保证了标识符只能在一个有限的区域内使用，这个可见范围，被称为作用域（scope）。
\quad 软件开发中，尽量缩小标识符的作用域是一项基本原则，一个标识符的作用域超过它实际所需要的范围时，就会对整个软件的命名空间造成污染，导致一些不必要的名字冲突和误解。

2、函数声明作用域

概念：在函数的声明式中定义的变量，其可见范围仅限于该声明式。

extern void func(int fileSize, char *fileName);

• 变量 fileSize 和 fileName 只在函数声明式中可见。
• 变量 fileSize 和 fileName 可以省略，但一般不这么做，它们的作用是对参数的注解。

3、局部作用域

概念：在代码块中定义的变量，其可见范围从其定义处开始，到代码块结束为止。

int main()
{int a=1;int b=2;     // 变量 c 的作用域是第4行到第9行{int c=4;int d=5; // 变量 d 的作用域是第7行到第8行int a = 100;}
}

• 代码块指的是一对花括号 { } 括起来的区域。
• 代码块可以嵌套包含，外层的标识符会被内嵌的同名标识符临时掩盖变得不可见。
• 代码块作用域的变量，由于其可见范围是局部的，因此被称为局部变量。

4、全局作用域

概念：在代码块外定义的变量，其可见范围可以跨越多个文件。

// 文件：a.c
int global = 888; // 变量 global 的作用域是第2行到本文件结束
int main()
{
}
void f()
{ 
}

// 文件：b.c
extern int global; // 声明在 a.c 中定义的全局变量，使其在 b.c 中也可见
extern void f();   void f1()
{printf("global: %d\n", global);
}
void f2()
{f();
}

• 全局变量作用域在整个程序中，因此称其为全局变量
• 如果a文件想要访问b文件的全局变量，需要在a文件函数体外，使用extern关键字在变量前面 进行修饰
• 如果一个文件里的全局变量，只想作用于本文件，则在其前面加上static即可

5、作用域的临时掩盖

\quad 如果有多个不同的作用域相互嵌套，那么小范围的作用域会临时 “遮蔽” 大范围的作用域中的同名标识符，被 “遮蔽” 的标识符不会消失，只是临时失去可见性。

int a = 100;// 函数代码块1
int main(void)
{printf("%d\n", a); // 输出100int a = 200;printf("%d\n", a); // 输出200// 代码块2 {printf("%d\n", a); // 输出200int a = 300;printf("%d\n", a); // 输出300}printf("%d\n", a); // 输出200
}void f()
{printf("%d\n", a); // 输出100
}

6、static关键字

C语言中相同的关键字，在不同的场合下，具有不同的含义。static关键字在C语言中有两个不同的作用：

• 将可见范围设定为标识符所在的文件：

  • 修饰全局变量：使得全局变量由原来的跨文件可见，变成仅限于本文件可见。
  • 修饰普通函数：使得函数由原来的跨文件可见，变成仅限于本文件可见。

• 将存储区域设定为数据段：

  • 修饰局部变量：使得局部变量由原来存储在栈内存，变成存储在数据段。

       int a; // 普通全局变量，跨文件可见
static int b; // 静态全局变量，仅限本文件可见void f1()        // 普通函数，跨文件可见
{}static void f2() // 静态函数，仅限本文件可见
{}int main()
{int c; // 普通局部变量，存储于栈内存static int d; // 静态局部变量，存储于数据段
}

二、存储期

1、概念

\quad C语言中，变量都是有一定的生存周期的，所谓生存周期指的是从分配到释放的时间间隔。为变量分配内存相当于变量的诞生，释放其内存相当于变量的死亡。从诞生到死亡就是一个变量的生命周期。
根据定义方式的不同，变量的生命周期有三种形式：

1. 自动存储期
2. 静态存储期
3. 自定义存储期
   不同存储区段对应不同存储期

2、自动存储期

\quad 在栈内存中分配的变量，通通拥有自动存储期，因此也都被称为自动变量。这里自动的含义，指的是这些变量的内存管理不需要开发者操心，都是全自动的：在变量定义处自动分配，出了变量的作用域后自动释放。

• 以下三个概念是等价的：
  • 自动变量：从存储期的角度，描述变量的时间特性。
  • 临时变量：同上。
  • 局部变量：从作用域的角度，描述变量的空间特性。
    可以统一把它们称为栈变量，下面是示例代码：

int main()
{int a, b;     // 自动存储期static int c; // 加了static的局部变量不再是栈变量，而是静态数据了f(a, b);
}void f(int x, int y) // 自动存储期
{
}

3、静态存储期

\quad 在数据段中分配的变量，通通拥有静态存储期，因此也都被称为静态变量。这里静态的含义，指的是这些变量不会因为程序的运行而发生临时性的分配和释放，它们的生命周期是恒定的，跟整个程序一致。

• 静态变量包含：
  • 全局变量：不管加不加 static，任何全局变量都是静态变量。
  • static 型局部变量。

int g1;        // 静态存储期
static int g2; // 静态存储期int main()
{int a, b;static int c; // 静态存储期
}

• 注意1：
  • 若定义时未初始化，则系统会将所有的静态数据自动初始化为0
  • 静态数据初始化语句，只会执行一遍。
  • 静态数据从程序开始运行时便已存在，直到程序退出时才释放。
• 注意2：
  • static修饰局部变量：使之由栈内存临时数据，变成了静态数据。
  • static修饰全局变量：使之由各文件可见的静态数据，变成了本文件可见的静态数据。

4、自定义存储期

\quad 在堆中分配的变量，统统拥有自定义存储期，也就是说这些变量的分配和释放，都是由开发者自己决定的。由于堆内存拥有高度自治权，因此堆是程序开发中用得最多的一片区域。
- 相关API：
- 申请堆内存：malloc() / calloc()
- 清零堆内存：bzero()
- 释放堆内存：free()

int *p = malloc(sizeof(int)); // 申请1块大小为 sizeof(int) 的堆内存
bzero(p, sizeof(int));        // 将刚申请的堆内存清零*p = 100; // 将整型数据 100 放入堆内存中
free(p);  // 释放堆内存// 申请3块连续的大小为 sizeof(double) 的堆内存
double *k = calloc(3, sizeof(double));k[0] = 0.618;
k[1] = 2.718;
k[2] = 3.142;
free(k);  // 释放堆内存

• 注意：
  • malloc()申请的堆内存，默认情况下是随机值，一般需要用 bzero() 来清零。
  • calloc()申请的堆内存，默认情况下是已经清零了的，不需要再清零。
  • free()只能释放堆内存，不能释放别的区段的内存。
• 释放内存的含义：
  • 释放内存意味着将内存的使用权归还给系统。
  • 释放内存并不会改变指针的指向。
  • 释放内存并不会对内存做任何修改，更不会将内存清零。