C语言：函数的作用域和生命周期

变量的作用域

引入问题

我们在函数设计的过程中，经常要考虑对于参数的设计，换句话说，我们需要考虑函数需要几个参数，需要什么类型的参数，但我们并没有考虑函数是否需要提供参数，如果说函数可以访问到已定义的数据，则就不需要提供函数形参。那么我们到底要不要提供函数形参，取决于什么？答案就是变量的作用域（如果函数在变量的作用域范围内，则函数可以直接访问数据，无需提供形参）

变量作用域

概念：变量的作用范围，也就是说变量在什么范围有效。

变量的分类

根据变量的作用域不同，变量可以分为：

• 全局变量

  说明：定义在函数之外，也称之为外部变量或者全程变量。

  作用域：从全局变量定义到本源文件结束。

  初始值：整型和浮点型，默认值是0；字符型，默认值是\0；指针型，默认值NULL

  举例：

    int num1;  // 全局变量，num1能被fun1、fun2、main共同访问
    void fun1(){}
    int num2;  // 全局变量，num2能被fun2、main共同访问
    void fun2(){}
    void main(){}
    int num3;  // 全局变量，不能被任何函数访问  

• 局部变量

  说明	作用域	初始值
  形式参数（形参）	函数作用域	随机值，需要手动赋初值
  函数内定义的变量	函数作用域	随机值，需要手动赋初值
  复合语句中定义的变量	块作用域	随机值，需要手动赋初值
  for循环表达式1定义的变量	块作用域	随机值，需要手动赋初值

  举例：

   // a,b就是形式参数（局部变量）
    int add(int a, int b)
    {
      
        return a + b;
    }
    
    int add2(int a, int b)
    {
        // z就是函数内定义的变量（局部变量）
        int z = a + b;
        return z;
    }
    
    int list(int arr[], int len)
    {
        // i就是for循环表达式1的变量（局部变量）
        for(int i = 0; i < len; i++)
        {
            // num就是复合语句中定义的变量（局部变量）
            int num = arr[i];
        }
    }

  使用全局变量的优缺点：

  优点：

  1. 利用全局变量可以实现一个函数对外输出的多个结果数据。

  2. 利用全局变量可以减少函数形参的个数，从而降低内存消耗，以及因为形参传递带来的时间消耗。

  缺点：

  1. 全局变量在程序的整个运行期间，始终占据内存空间，会引起资源消耗。

  2. 过多的全局变量会引起程序的混乱，操作程序结果错误。

  3. 降低程序的通用性，特别是当我们进行函数移植时，不仅仅要移植函数，还要考虑全局变量。

  4. 违反了“高内聚，低耦合”的程序设计原则。

  总结：

  我们发现弊大于利，建议尽量减少对全局变量的使用，函数之间要产生联系，仅通过实参+形参的方式产生联系。

作用域举例

注意：

如果全局变量和局部变量同名，程序执行的时候，就近原则（区分作用域）

 int a = 10;  // 全局变量  全局作用域
  // int a = 22;  // 错误的，全局作用域已经存在a变量
 ​
  int main()
  {
      int a = 20;  // 局部变量  函数作用域，作用域不同，可以出现同名变量
      
      printf("%d\n", a); // 20 就近原则
      
      for (int a = 0; a < 5; a++)  // 局部变量 块作用域
      {
          printf("%d", a); // 0 1 2 3 4  就近原则
      }
      
      for (int a = 0; a < 5; a++)  // 局部变量 块作用域
      {
          printf("%d", a); // 0 1 2 3 4  就近原则
      }
      
      printf("%d\n",a);  // 20 就近原则
  }

注意：C语言中，同一个C文件中，是可以出现多个同名变量的，但是多个同名的变量的作用域不能相同。

变量的生命周期

定义

概念：变量在程序运行中的存在时间（内存申请到内存释放的时间）

根据变量存在的时间不同，变量可分为静态存储方式和动态存储方式

​

变量的存储类型

语法：

  变量的完整定义格式： [存储类型] 数据类型 变量列表;   

存储类型：

• auto

  auto存储类型只能修饰局部变量，被auto修饰的局部变量是存储在动态存储区（栈区和堆区）的。auto也是局部变量默认的存储类型。

  int main()
    {
        int a;
        int b;
        // 以下写法等价于上面写法
        auto int a;
        auto int b;
        
        int a,b;
        // 以下写法等价于上面写法
        auto int a,b;
    }

• static

  修饰局部变量：局部变量会被存储在静态存储区。局部变量的生命周期被延长。但是作用域不发生改变，不推荐

  修饰全局变量：全局变量的生命周期不变，但是作用域衰减，一般限制全局变量只能在本源文件内访问，其他文件不可访问。

  修饰函数：被static修饰的函数，只能被当前文件访问,其他引用该文件的文件是无法访问的,有点类似于java中private

• extern

  外部存储类型：只能修饰全局变量，此全局变量可以被其他文件访问，相当于扩展了全局变量的作用域。

  extern修饰外部变量，往往是外部变量进行声明，声明该变量是在外部文件中定义的。起到一个标识作用。函数同理。

  demo01.c

  #include "demo01.h"
    
    int fun_a = 10;
    int fun1(){..}

  demo02.c

   #include "demo01.h"
    
    // 声明访问的外部文件的变量
    extern int fun_a;
    // 声明访问的外部文件的函数
    extern int fun1();
        
    int fun2();

• register

  寄存器存储类型：只能修饰局部变量，用register修饰的局部变量会直接存储到CPU的寄存器中，往往将循环变量设置为寄存器存储类型（提高读的效率）

    for (register int i = 0; i < 10; i++)
    {
        ...
    }

面试题

static关键字的作用

1. static修饰局部变量，延长其生命周期，但不影响局部变量的作用域。

2. static修饰全局变量，不影响全局变量的生命周期，会限制全局变量的作用域仅限本文件内使用(私有化)；

3. static修饰函数：此函数就称为内部函数，仅限本文件内调用（私有化）。static int funa(){..}

内部函数和外部函数

• 内部函数：使用static修饰的函数，称作内部函数，内部函数只能在当前文件中调用。

• 外部函数：使用extern修饰的函数，称作外部函数，extern是默认的，可以不写（区分编译环境），也就是说本质上我们所写的函数基本上都是外部函数，建议外部函数在被其他文件调用的时候，在其他文件中声明的时候，加上extern关键字，主要是提高代码的可读性。