C语言变量的存储类别和生存期

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C语言变量的存储类别和生存期

我们知道，变量是有数据类型的，用来说明他占用多大的内存空间，可以进行什么操作。

除了数据类型，变量还有一个属性，称为“存储类别”。存储类别就是变量在内存中的存放区域。在进程的地址空间中，常量区、全局数据区和栈区都可以用来存放变量的值。

常量区和全局数据区的内存在程序启动时就已经由操作系统分配好，占用的空间固定，程序运行期间不再改变，程序运行结束后才由操作系统释放；他可以存放全局变量、静态变量、一般常量和字符串常量。

栈区的内存在程序运行期间由系统根据需要来分配（使用到变量才分配内存；如果定义了变量但没有执行到该代码，也不会分配内存），占用空间实时改变，使用完毕后立即释放，不必等到程序运行结束；他可以存放局部变量、函数参数等。

我们可以通过C语言中的关键字来控制变量的存放区域。C语言共有4个关键字用来指明变量的存储类别：auto（自动的）、static（静态的）、register（寄存器的）、extern（外部的）。

知道了变量的存储类别，就可以知道变量的生存期。通俗的讲，生存期指的是在程序运行的过程中，变量从创建到销毁的一段时间，生存期的长短取决于变量的存储类别，也就是他所在的内存区域。

这里我们暂时只说明auto、static、register三个关键字，extern之后涉及多文件编程时再说。

auto变量

auto是自动或默认的意思，很少用到，因为所有的变量默认就是auto的。也就是说，定义变量时加不加auto都一样，所以一般把他省略，不必多此一举。

例如：

int n = 10;

与

auto int n = 10;

的效果完全一样。

static变量

static声明的变量称为静态变量，不管他是全局的还是局部的，都存储在静态数据区（全局变量本来就存储在静态数据区，即使不加static）。

静态数据区的数据在程序启动时就会初始化，知道程序运行结束；对于代码块中的静态局部变量，即使代码块执行结束，也不会销毁。

注意：静态数据区的变量只能初始化（定义）一次，以后只能改变他的值，不能再被初始化，即使有这样的语句，也无效。

代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main ()
{
    int result, i;
    for(i = 1; i<=100; i++){
        result = sum(i);
    }
    printf("1+2+3+...+99+100 = %d\n", result);

    system("pause");
    return 0;
}

int sum(int n){
    // 也可以不赋初值 0，静态数据区的变量默认初始化为 0
    static int result = 0;
    result += n;

    return result;
}

运行结果：
1+2+3+…+99+100 = 5050

这里在sum()中定义了一个静态局部变量result，他存储在静态数据区，sum()函数执行结束也不会销毁，下次调用继续有效。静态数据区的变量只能初始化一次，第一次调用sum()时已经对result进行了初始化，所以再次调用时就不会初始化了，也就是说static int result = 0;语句无效。

静态局部变量虽然存储在静态数据区，但是他的作用域仅限于定义他的代码块，sum()中的result在函数外无效，与main()函数中的result不冲突，除了变量名一样，没有任何关系。

register变量

一般情况下，变量的值是存储在内存中的，CPU每次使用数据都要从内存中读取，如果有一些变量使用非常频繁，从内存中读取就会消耗很多时间，例如for循环中的增量控制：

int i;
for(i=0; i<1000; i++){
    // Some Code
}

执行这段代码，CPU为了获取i，会读取1000次内存。

为了解决这个问题，可以将使用频繁的变量放在CPU的通用寄存器中，这样使用该变量时就不必访问内存，直接从寄存器中读取，大大提高程序的运行效率。

不过寄存器的数量是有限的，通常是把使用最频繁的变量定义为register的。

来看一个计算π 的近似值的例子，求解的一个近似公式如下：

在这里插入图片描述

为了提高精度，循环的次数越多越好，可以将循环的增量控制定义为寄存器变量，如下所示：

#include <stdio.h>
#include <conio.h>

int main()
{
    register int i = 0;  // 寄存器变量
    double sign = 1.0, res = 0, ad = 1.0;

    for(i=1; i<=100000000; i++)
    {
        res += ad;
        sign=-sign;
        ad=sign/(2*i+1);
    }

    res *= 4;
    printf("pi is %f", res);

    getch();
    return 0;
}

运行结果：
pi is 3.141593

关于寄存器变量有以下事项需要注意：

为寄存器变量分配寄存器是动态完成的，因此，只有局部变量和形式参数才能定义为寄存器变量。
局部静态变量不能定义为寄存器变量，因为一个变量只能声明为一种存储类别。
寄存器的长度一般和机器字长一致，只有较短的类型如int、char、short等才适合定义为寄存器变量，诸如double等较大的类型，不推荐将其定义为寄存器类型。
CPU的寄存器数目有限，即使定义了寄存器变量，编译器可能并不真正为其分配寄存器，而是将其当作普通的auto变量对待，为其分配栈内存。当然，有些优秀的编译器，能自动识别使用频繁的变量，如循环控制变量等，在有可用的寄存器时，即使没有使用register关键字，也自动为其分配寄存器，无须由程序员指定。