變量的存儲類別和作用域

在前面幾章中，我們已用到各類存儲變量，并作過相應(yīng)的簡單說明。為了避免使讀者掌握過多的概念而影響編程和閱讀，在那里所作的描述是十分有限的。為了使讀者對C語言變量的存儲類別有比較深入的了解，這里作一些詳盡的討論。在C語言中，變量不僅具有數(shù)據(jù)類型，而且還區(qū)分存儲類別。變量在使用之前其數(shù)據(jù)類型必須加以說明，而存儲類別則可缺省說明或顯式說明。顯式說明指直接在變量說明前加上存儲類型標(biāo)志，如auto、register、static、extern等。在缺省說明時，編譯程序假設(shè)所要求的存儲類別隱含在上下文中。變量的存儲類別既說明了變量的存儲單元，又說明了變量的“活動”時間和作用域。

第五章變量的存儲類別和作用域

從變量的作用域（即從空間）角度來分，可以將變量分為全局變量和局部變量。從另一個角度，即從變量存在的時間（即生存期）角度來分，可以分為靜態(tài)存儲變量和動態(tài)存儲變量。動態(tài)數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存的堆棧區(qū)，靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存的固定存儲區(qū)，即靜態(tài)存儲區(qū)。全局變量存儲在內(nèi)存的固定存儲去，局部變量存儲在內(nèi)存的堆棧區(qū)。靜態(tài)存儲變量在程序運行期間分配固定的存儲空間。動態(tài)存儲變量在程序的運行過程中根據(jù)需要動態(tài)分配存儲空間。圖5-1是內(nèi)存中供用戶使用的存儲空間的分配情況。

5.1

變量的類別概述

存儲空間可以分為三部分：l

程序區(qū)。l

靜態(tài)存儲區(qū)。l

動態(tài)存儲區(qū)。數(shù)據(jù)存放在靜態(tài)存儲區(qū)和動態(tài)存儲區(qū)中。全局變量存放在靜態(tài)存儲區(qū)中，在程序執(zhí)行過程中它們占據(jù)固定的存儲單元，程序執(zhí)行完畢才釋放，而不是動態(tài)地分配和釋放。在C語言中每一個變量有兩個屬性：數(shù)據(jù)類型和存儲類別。對數(shù)據(jù)類型，讀者已熟悉（如整型，字符型等）。存儲類別指的是數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存儲的方法。存儲方法分為兩大類：靜態(tài)存儲類和動態(tài)存儲類。具體包含四種：自動的（auto）、靜態(tài)的（static）、寄存器的（register）、外部的（extern）。下面將就前面所提及的所有變量依次向讀者作一下介紹。

5.1

變量的類別概述

5.2局部變量

在一個函數(shù)內(nèi)或復(fù)合語句中定義的變量稱為內(nèi)部變量。它只在本函數(shù)范圍或復(fù)合語句內(nèi)有效，也就是說只有在本函數(shù)或復(fù)合語句內(nèi)才能使用它們，否則是不能使用這些變量的。內(nèi)部變量又稱為“局部變量”。注意：復(fù)合語句以左花括號（{）開始至右花括號（}）結(jié)束?；ɡㄌ栔锌梢杂腥我舛鄺l語句，也可以沒有語句?；ɡㄌ栔羞€可以有變量定義語句。包括變量定義語句的復(fù)合語句成為分程序，我們這里把它統(tǒng)稱為復(fù)合語句。

【例5.1】局部變量例程

floatfl（a）/*函數(shù)fl()*/inta；

{intb，c；形參a和局部變量b、c有效范圍

}charf2（x，y）/*函數(shù)f2()*/intx，y：

{inti，j；形參x，y和局部變量i、j有效范圍

}main（）/*主函數(shù)*/{intm，n；局部變量m和n有效范圍

}

5.2局部變量

這里，對局部變量作如下說明：（1）主函數(shù)main()中定義的變量（m和n）只在主函數(shù)中有效，而不因為在主函數(shù)中定義就會在整個文件或程序中有效，這是和PASCAL語言不同的。主函數(shù)也不能使用其他函數(shù)中定義的變量。（2）不同函數(shù)中可以使用相同名字的變量，它們代表不同的對象，互不干擾。例如，在f1()函數(shù)中定義了變量b和c，倘若在f2()函數(shù)中也定義變量b和c，它們在內(nèi)存中占不同的單元，互不混淆。（3）形式參數(shù)也是局部變量。例如f1()函數(shù)中的形參a，也只在函數(shù)f1()中有效。其他函數(shù)不能調(diào)用。（4）在一個函數(shù)內(nèi)部，可以在語句塊（復(fù)合語句中）定義變量，這些變量只在該語句塊（復(fù)合語句）中有效，這種語句塊（復(fù)合語句）也可稱為“分程序”或“程序塊”。

5.2局部變量

【例5.2】下列程序中，具有相同變量名的變量出現(xiàn)在三個層次中。main（）{intx=1；/*最外層變量初始化并賦值1*/{intx=2；/*第二層變量初始化并賦值2*/{intx=3；/*第三層變量初始化并賦值3*/printf（＂%d\n＂，x）；

}printf（＂%d\n＂，x）；

}printf（＂%d\n＂，x）；}輸出結(jié)果：

3215.2局部變量

【例5.3】如果外層、中層的變量x不賦值，則它們的值是不確定的。main（）{intx；

{intx；

{intx=3；

printf（＂%d\n＂，x）；}printf（＂%d\n＂，x）；

}printf（＂%d\n＂，x）；}輸出結(jié)果：

308500和850是程序運行時輸出的不定結(jié)果，為隨機數(shù)。

5.2局部變量

5.3全局變量5.3.1全局變量及其定義和作用范圍在函數(shù)內(nèi)定義的變量是局部變量，而在函數(shù)外定義的變量稱為外部變量，外部變量是全局變量。全局變量可以為本文件中其他函數(shù)所共用。它的有效范圍：從定義變量的位置開始到本源文件結(jié)束。如：

intp=1，q=5；/*外部變量*/floatf1（a）/*定義函數(shù)f1*/inta；

{intb，c；

}charc1，c2；/*外部變量*/charf2（x，y）/*定義函數(shù)f2*/intx，y；

{inti，j；

}main（）/*主函數(shù)*/{intm，n；

}p、q、c1、c2都是全局變量，但它們的作用范圍不同，在main()函數(shù)和函數(shù)f2()中可以使用全局變量p、q、c1、c2，但在函數(shù)f1()中只能使用全局變量p、q，而不能使用c1和c2。在一個函數(shù)中既可以使用本函數(shù)中的局部變量，又可以使用有效的全局變量。

5.3全局變量5.3.2全局變量的有關(guān)說明（1）設(shè)立全局變量增加了函數(shù)間數(shù)據(jù)聯(lián)系的渠道。如果全局變量定義在源文件的前面位置，則由于一個文件中的所有函數(shù)都能引用全局變量的值，因此如果在一個函數(shù)中改變了全局變量的值，就能影響到其他函數(shù)，相當(dāng)于各個函數(shù)都有直接的傳遞通道，從函數(shù)得到一個以上的返回值?！纠?.4】voidmul（）。

intc;main（）

{inta,b;printf（＂inputaandb:＂）;scanf（＂%d,%d＂,&a,&b）;mul（a,b）;printf（＂\na*b=%d\n＂,c）;}voidmul（

intx,inty）

{c=x*y;}

5.3全局變量由于本例中定義了一個外部變量c,它在函數(shù)main（）和mul（）中都是可見的全局變量。在mul（）中把x*y的結(jié)果賦給變量c；在main（）中直接引用c的值，也就得到了x*y的結(jié)果。因此，函數(shù)mul（）中也不需要用return語句來返回函數(shù)值，mul（）可以定義為一個void函數(shù)。由此可以看出，可以利用全局變量減少函數(shù)實參與形參的個數(shù)，從而減少內(nèi)存空間的占用以及傳遞數(shù)據(jù)時的時間消耗。此外，C語言規(guī)定外部變量、數(shù)組在定義時可以直接賦初值，而局部數(shù)組在定義時不能直接賦初值。按缺省的規(guī)定，如果外部變量沒有賦初值，則編譯程序就自動將它賦0初值。（2）建議不在必要時不要使用全局變量，因為：①全局變量在程序的全部執(zhí)行過程中都占用存儲單元，而不是僅在需要時才開辟單元。

5.3全局變量②它使函數(shù)在執(zhí)行時依賴于其所用的外部變量。如果將一個函數(shù)轉(zhuǎn)移到另一個文件中，還要將有關(guān)的外部變量及其值一起移過去。但若該外部變量與其他文件的變量同名時，就會出現(xiàn)問題，從而降低了程序的可靠性和通用性。在程序設(shè)計中，在劃分模塊時要求模塊的“內(nèi)聚性”強，與其他模塊的“耦合性”弱。即模塊的功能要單一（不要把許多互不相干的功能放在一個模塊中），與其他模塊的相互影響要盡量少。而用全局變量不合乎這個原則。一般要求把C程序中的函數(shù)做成一個封閉體，除了可以通過“實參-形參”的渠道與外界發(fā)生聯(lián)系外，沒有其他渠道。這樣的程序移植性好，可讀性強。③使用全局變量過多，會降低程序的清晰性，人們往往難以清楚地判斷出每個瞬時各個外部變量的值。在各個函數(shù)執(zhí)行時都可能改變外部變量的值，程序容易出錯。因此要限制使用全局變量。（3）如果外部變量在文件開頭定義，則在整個文件范圍內(nèi)都可以使用該外部變量；如果不在文件開頭定義，按上面規(guī)定，作用范圍只限于定義點到文件末尾。如果在定義點之前的函數(shù)想引用該外部變量，則應(yīng)該在該函數(shù)中用關(guān)鍵字extern作“外部變量說明”，表示該變量在函數(shù)外部定義，在函數(shù)內(nèi)部可以使用。

5.3全局變量【例5.5】引用外部變量的例子。intmax（x，y）/*定義max()函數(shù)*/intx，y；{intz；z=x>y?x：y；return（z）；}main（）{externinta，b；/*外部變量說明*/printf（＂%d＂，max（a，b））；}inta=13，b=-8；/*外部變量在此定義*/運行結(jié)果如下：

135.3全局變量由于外部變量定義在主函數(shù)main()之后，因此在main()函數(shù)引用外部變量a和b之前，應(yīng)該用extern進(jìn)行外部變量說明。如果不作extern說明，編譯時將出錯。系統(tǒng)不會認(rèn)為a、b是已定義過的外部變量。一般做法是，把外部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)中加一個extern說明。需要強調(diào)的是，外部變量的定義和外部變量的說明不是一回事。外部變量的定義只能有一次，它的位置應(yīng)在所有函數(shù)之外，而同一個文件中外部變量的說明可以有多次，它的位置在函數(shù)之內(nèi)（哪個函數(shù)用在哪個函數(shù)中說明）。系統(tǒng)是根據(jù)外部變量的定義（而不是根據(jù)說明）來分配存儲單元。對外部變量的初始化只能在“定義”時進(jìn)行而不能在“說明”中進(jìn)行。所謂“說明”，其作用是申明該變量是已在外部定義過的變量，僅僅是為了引用該變量而作的“申明”。原則上，所有函數(shù)都應(yīng)對所用的外部變量作說明（用extern），只是為了簡化起見，在外部變量定義之后的函數(shù)可以省寫這個“說明”。（4）如果在同一源文件中，外部變量與局部變量同名，則在局部變量的作用范圍內(nèi)，外部變量不起作用。

5.3全局變量【例5.6】局部變量與外部變量同名時，局部變量起作用的例程。這里故意重復(fù)使用a、b作變量名，是為了使讀者區(qū)別不同的a、b的含義和作用范圍。第一行定義了外部變量a、b，并使之初始化。第二行開始定義函數(shù)max，a、b是形參，形參也是局部變量。inta=3，b=5；/*a，b為外部變量*/max（a，b）inta，b；/*a，b為局部變量*/{intc；

c=a>b?a：b；

形參a，b的作用范圍

return（c）；

外部變量a，b的作用范圍}（全程）main（）{a=8；/*a為局部變量*/局部變量aprintf（＂%d＂，max（a，b））；

的作用范圍

}運行結(jié)果為：85.3全局變量在函數(shù)max()中的a、b不是外部變量a、b，它們的值是由實參數(shù)傳遞而得到的，外部變量a、b在函數(shù)max()中不起作用。最后4行是main()函數(shù)，它定義了一個局部變量a，因此全局變量a在main()函數(shù)范圍內(nèi)不起作用，而全局變量b在此范圍內(nèi)有效。所以printf()函數(shù)中的max（a，b）相當(dāng)于max（8，5），程序運行后得到結(jié)果為８。全局變量是在函數(shù)外部定義的，編譯時分配在靜態(tài)存儲區(qū)，可以為程序中各個函數(shù)所引用。一個C程序可以由一個或多個源程序文件組成。全局變量在只有一個源文件組成的程序中的使用情況前邊已經(jīng)做了介紹，如果程序由多個源文件組成，某一個文件中的函數(shù)能否引用另一文件中的全局變量呢？答案是肯定的，方法也是在引用處用extern作說明。

5.3全局變量【例5.7】編寫程序，完成對給定a的值，輸入b和m，求a

b和am的值。文件file1.c中的內(nèi)容為：

inta；

main（）

{intpower（）；

intb=3，c，d，m；

printf（＂Enterthenumberaanditspower：\n＂）；

scanf（＂%d%d＂，&a，&m）；

c=a

b；

printf（＂%d

%d=%d\n＂，a，b，c）；

d=power（m）；

printf（＂%d

%d=%d＂，a，m，d）；

}文件file2.c中的內(nèi)容為：externinta；power（intn）{5.3全局變量inti，y=1；

for（i=1；i<=n；i++）

y

=a；

return（y）；}可以看到，file2.c文件中的開頭有一個extern說明（注意這個說明不是在函數(shù)內(nèi)部），它說明了本文件中出現(xiàn)的變量a是一個已經(jīng)在其他文件中定義過的變量，本文件不必為它分配內(nèi)存。本來外部變量的作用域如前述是從它的定義點到文件結(jié)束，但可以用extern說明將其作用域擴大到由extern說明的其他源文件。假如一個c程序有5個源文件，只在一個文件中定義了外部整形變量a，那么其他4個文件都可以引用變量a，但必須在每個文件中都加上一個“externinta；”說明。這樣，在各個文件經(jīng)過編譯后，將各目標(biāo)文件連接成一個可執(zhí)行的目標(biāo)文件。但是用這樣的全局變量時應(yīng)十分慎重，因為在執(zhí)行一個文件中的函數(shù)時，可能會改變該全局變量的值，這將會影響到另一個文件中的函數(shù)執(zhí)行結(jié)果。

5.3全局變量5.4寄存器變量為提高程序的執(zhí)行速度，在C語言中，允許將局部變量的值放在運算器的寄存器中，需要時直接從寄存器中取出參加運算，不必再到內(nèi)存中去取，這樣可以提高程序的執(zhí)行效率。這種變量叫“寄存器變量”，用關(guān)鍵字register作說明。例如：registerinti；registercharch；registerfloatx；等。在寄存器變量的說明中關(guān)鍵字int

可以省略?！纠?.8】輸出1到5每個數(shù)階乘的值。main（）{inti；

for（i=1；i<=5；i++）；

printf（＂%d!=%d\n＂，i，fac（i））；}intfac（n）intn；{registerinti，f=1；

for（i=1；i<=n；i++）

f=f

i；

retern（f）；}定義的局部變量f和i是寄存器變量，如果n的值大，則能節(jié)省許多執(zhí)行時間。這里強調(diào)幾點：l

只有局部自動變量和形式參數(shù)可以作為寄存器變量，其他（如全局變量）不行。在調(diào)用一個函數(shù)時占用一些寄存器來存放寄存器變量的值，函數(shù)調(diào)用結(jié)束則釋放所占用的寄存器。l

一個計算機系統(tǒng)中的寄存器數(shù)目是有限的，故不能定義任意多個寄存器變量。不同的計算機系統(tǒng)允許使用的寄存器數(shù)目有區(qū)別，如有的小型機只允許使用3個寄存器來容納寄存器變量。l

不同的系統(tǒng)對register變量的處理是不同的。TurboC對register變量當(dāng)作自動變量來處理，分配內(nèi)存單元，并不真正把它們放在寄存器中。因此雖然程序合法，但并不能提高執(zhí)行速度。5.4寄存器變量5.5靜態(tài)存儲變量靜態(tài)變量在說明時要加關(guān)鍵字static，如：{staticinti；

staticintj=1；

staticcharch='a'；}它說明了i，j，ch三個靜態(tài)變量。

5.5.1局部靜態(tài)存儲變量如果一個靜態(tài)變量是在一個函數(shù)或語句塊內(nèi)說明的，那么該靜態(tài)變量是“局部的”，即其作用域被限制在該函數(shù)或塊內(nèi)。但是若希望函數(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，即其所占用的存儲單元不釋放，應(yīng)該指定該局部變量為“局部靜態(tài)變量”，用static加以說明。

【例5.10】打印1！到N!main（）{intfactor（）;inti,n;printf（＂N=＂）;scanf（＂%d＂,&n）;for（i=1;i<=n;i++）

printf（＂%d!=%d\n＂,i,factor（i））;}intfactor（p）intp;{staticf=1;f*=p;return（f）;}5.5靜態(tài)存儲變量對局部靜態(tài)變量的說明：（1）局部靜態(tài)變量屬于靜態(tài)存儲類，在靜態(tài)存儲區(qū)內(nèi)分配存儲單元。在程序的整個運行期間都不釋放。（2）局部靜態(tài)變量是在編譯時賦初值的，即只賦初值一次，在程序運行時它已有初值。以后每次調(diào)用時不再賦初值而只是保留上次函數(shù)調(diào)用結(jié)束時的值。對自動變量的賦初值，不是在編譯時進(jìn)行而是在函數(shù)調(diào)用時進(jìn)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。（3）在定義局部靜態(tài)變量時不賦初值，編譯時自動賦0（對數(shù)值型變量）或空（對字符型變量）。（4）雖然局部靜態(tài)變量的值在函數(shù)調(diào)用結(jié)束后仍然存在，但其他函數(shù)是不能引用的。

5.5靜態(tài)存儲變量5.5.2全局靜態(tài)變量在程序設(shè)計中，有時希望某些全局變量只限于被本文件使用而不能被其他文件引用，這時可在定義外部變量時，前邊加一個static說明。file1.cfile2.cstaticinta；

externinta；main（）fun（n）{intn；

{

}a=a*n；

}5.5靜態(tài)存儲變量在file1.c中定義了一個全局變量a，但它有static說明，因此只能用于本文件。雖然file2.c文件中用了“externinta；”，但file2.c文件中無法使用file1.c文件中的全局變量a。這種加上static說明，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，有些書上稱之為“函數(shù)外部靜態(tài)變量”。在程序設(shè)計中，常由若干人分別完成各個模塊，各人可以獨立地在設(shè)計的文件中使用相同的外部變量名而互不相干，這就為程序的模塊化、通用性提供了方便。一個文件與其他文件沒有數(shù)據(jù)聯(lián)系，可以根據(jù)需要任意地將所需的若干文件組合，而不必考慮文件間的變量是否同名和數(shù)據(jù)交叉。因此已知道其他文件不引用本文件說明的外部變量，可以對本文件中的外部變量都加上static，使之成為靜態(tài)外部變量，以免被其他文件誤用。需要指出，對外部變量加static說明，并不意味著這時才是靜態(tài)存儲而不加static說明的是動態(tài)存儲。兩種形式的外部變量都是靜態(tài)存儲，只是作用范圍不同而已。

5.5靜態(tài)存儲變量5.6動態(tài)存儲變量動態(tài)存儲方式是指在程序的運行過程中根據(jù)需要動態(tài)地分配存儲空間的方式。在動態(tài)存儲區(qū)中存放以下數(shù)據(jù)：l

函數(shù)形參變量（只有在調(diào)用函數(shù)時才給形參分配存儲空間）。l

局部變量（加了static說明的除外）。l

函數(shù)調(diào)用時的現(xiàn)場保護(hù)和返回地址等。對以上這些數(shù)據(jù)，在函數(shù)調(diào)用開始時才分配動態(tài)存儲空間，函數(shù)調(diào)用結(jié)束時則釋放這些臨時分配的空間。即程序執(zhí)行過程中這些分配和釋放是動態(tài)的，如果程序執(zhí)行過程中兩次調(diào)用同一函數(shù)，分配給此函數(shù)中的局部變量的存儲空間地址可能是不同的。這里看一下局部變量的存儲方式。函數(shù)中的局部變量，如不做專門的說明（如說明為靜態(tài)的局部變量），都是動態(tài)分配存儲空間的，存儲在動態(tài)存儲區(qū)中。對它們分配和釋放存儲空間的工作是由編譯系統(tǒng)自動處理的，因此這類變量稱為自動變量。自動變量用關(guān)鍵字auto說明。例如：intf（a）/*定義函數(shù)*/inta；