【C++基础】存储持续性、作用域、链接性

        为了方便开发者管理与修改，实现某个功能的C++程序可能由多个文件构成。常用的文件架构为：

1.头文件：存放原型，符号常量，内联函数实现；

2.函数源文件：存放有关函数的实现；

3.主程序源文件：利用函数和类实现某些功能；

        在将以上多个文件编译成可执行文件时，需要将上述多个文件组合成一个可执行文件，那么需要有关规则来规定，文件中名称的存在时间、可见范围（文件内与文件之间），从而正确完成编译。

图1 UNIX系统中的编译过程[1]

1.名词内涵

1.1存储持续性

定义：数据在内存中保留时间的长短，也即数据在程序中的生命周期，分为以下四种：

自动存储持续性：由系统自动管理。在执行名称所属的函数或者代码块时被创建，在执行完成后自动释放；

静态存储持续性：在程序运行期间都存在；

动态存储持续性：由用户自行管理分配和释放。（new 和 delete运算符的作用）。也被称为自由存储（free store）或堆（heap）

线程存储持续性：在多线程编程中会涉及，不同线程中的变量生命周期不同；

1.2作用域

定义：名称在一个文件内的可见范围，分为以下两种：

局部：只在定义名称的代码块中可见；

全局：在整个文件内都可见，也被成为文件作用域；

1.3链接性

定义：名称在不同文件之间的可见性，或共享性，分为以下两种：

内部：只能在文件内部的函数间共享；

外部：可以在不同文件之间共享；

无链接性：只能在代码块或函数中访问

2.各种名称/变量的特性

变量的存储持续性、作用域以及链接性通常是存在联系的

2.1自动变量

所谓自动变量，即在函数中声明的函数参数和无限定符的变量；

存储持续性：自动存储持续性；作用域：局部；链接性：无链接性；

1）在函数原型的括号中出现的变量名，只在函数参数列表内（也就是括号内）可见，所以变量名叫什么以及是否出现都不重要；

2）如果一个代码块内嵌套了另一个代码块（所谓代码块，即由大括号括起来的部分），嵌套代码块中的变量会屏蔽掉外层代码块的同名变量，包括全局变量；

3）编译器使用存储区中开辟了一个栈来维护自动变量；

2.2静态变量

静态变量的存储持续性是静态存储持续性，但是其作用域和链接性取决于变量声明的位置

外部链接性、全局：在代码块外部，即文件中声明，无修饰符

内部链接性、全局：在代码块外部，即文件中声明，并且使用关键字static修饰；

无链接性、局部：在代码块内部声明变量，并且使用关键字static修饰；

1）静态变量在程序运行开始就存在，直到程序结束后释放；

2）如果没有显式初始化，则静态变量默认初始化为0。如果初始化时没有足够的信息（例如调用了函数），则需要在链接完成后动态初始化；

3）编译器在存储区中开辟了一个静态存储区存放所有静态变量；

4）单定义规则（One Definition Rule）:

        变量只能有一次定义。定义意味着初始化，系统会为其分配内存；

图2 五种变量存储方式[1]

2.2.1外部链接性、全局变量

1）需要在一个文件定义该变量，变量被定义后，可以在这个文件中该变量后面任何位置使用它；

2）如果其他文件需要使用该变量，则需要声明该变量，声明时用extern关键字修饰；

将1）、2）总结为一个定义，多个声明；

3）初始化也可以使用extern关键字修饰，但是效果与不使用相当；

4）为了防止内部同名变量屏蔽全局变量，可以使用作用域解析符来指出变量；

2.2.2内部链接性、全局变量

        使用static修饰的内部链接性、全局变量，会屏蔽同名的外部链接性、全局变量；

2.2.3无链接性、局部变量

        这种类型的变量通常用于函数内部中，不想每次进入函数都被初始化的变量。可以实现某些特定功能，比如，记录函数被调用的次数。

3.限定符

3.1volatile限定符

        该限定符说明变量在程序没有对其进行修改的情况下，内存中的数据也可能会发生改变。上述情况通常发生在内存地址为某硬件输入端口时。

        在不使用volatile限定符时，如果程序在没有对变量修改的情况下，多次使用该变量，编译器会进行优化操作，不会重复读取内存，而是直接将数据放入寄存器。

        使用volatile限定符，则向编译器表明不需要此优化，每次使用该变量都向内存读取。

3.2mutable限定符

        在类或者结构声明中使用，表明某个变量是可以修改的。即使在初始化结构或类时，使用了const关键字。

3.3const限定符

1）使用const限定符修饰变量，表明该变量是不允许被修改，等价于常量；

2）在文件中所有代码块外，只有const限定符，没有extern限定符修饰的全局变量，链接性是内部的，其对于其他文件不可见。此举可以方便在头文件中使用例如 const int pi = 3.14 的语句，然后在其他文件都包含该头文件是不会出错；

3）同时有extern 和 const 修饰的变量，其链接性为外部；

4.名称空间

        除了利用以上C++作用域规则外，C++还提供了名称空间工具，来解决程序中可能出现的名称相同而导致的冲突问题。

1）使用关键字 namespace 可以创建一个名称空间，不同命名空间里相同的名称不会冲突；

2）命名空间可以嵌套，但是不能位于代码块中；

3）全局命名空间：对应于全局变量所在的空间；

4）可以将变量加入到已有的命名空间中；

5）使用 using 声明，如 using std::cout，将 命名空间 std 中的 名称 cout 暴露在当前代码

      块，或是当前文件中，作用域范围取决于 using 声明的位置；

6）使用using namespace 编译指令，使命名空间中的所有名称暴露；

7）使用using namespace 编译指令，如果当前作用域内有存在同名，那么 using 命名空间中的名称将被隐藏；

8）不能使用using 声明来暴露一个在当前代码块中已经使用过的名称；

参考文献

[1] Prata S. C++ Primer Plus[M]. 2002