【C语言】-存储类别

0、前言

程序员通过C的内存管理系统指定变量的作用域和生命期，实现对程序的控制。而合理使用内存存储数据是设计程序的一个要点。

1、存储类别相关基本概念

• 对象（object）：从硬件上来看，被存储的每个值都占用一定的物理内存，即这块内存便被称为对象。

• 标识符（identifier）：从软件来看，通过声明对象来访问对象，而标识符可以用来指定特定对象的内容。

• 作用域（scope）：描述程序可以访问标识符的区域。

  • 1、块作用域（block scope）：块是用一对花括号扩起来的代码区域，块作用域变量的可见范围是从定义处到包含该定义的块的末尾。（函数的形参也属于块作用域）
  • 2、函数作用域（function scope）：仅用于goto语句的标签，即即使一个标签首次出现在函数的内层块中，它的作用域也会延伸至整个函数。
  • 3、函数原型作用域（function prototype scope）：用于函数原型中的形参名，即从形参定义处到原型声明结束。即意味着，编译器在处理函数原型中的形参时只关心其类型，而形参名通常无关紧要。
  • 4、文件作用域（file scope）：变量的定义在函数的外面。即该变量从它的定义处到该定义所在文件的末尾均可见。

• 链接（linkage）

  • 1、外部链接：可以在多文件程序中使用。
  • 2、内部链接：只能在一个翻译单元中使用。
  • 3、无链接：具有块作用域、函数作用域或函数原型作用域的变量。

• 存储期（Storage Period）：描述通过标识符访问的对象的生存期。

  • 1、静态存储期：该变量在程序执行期间一直存在，所有的文件作用于变量都具有静态存储期。
  • 2、线程存储期：用于并发程序设计，该对象（关键字_Thread_local）从被声明时到线程结束一直存在。
  • 3、自动存储期：当程序进入定义这些变量的块时，为这些变量分配内存，当退出这个块时，释放刚才分配的内存。
  • 4、动态分配存储期： 用库函数分配和管理内存。

2、五种存储类别

在C语言中存储类别定义了变量或函数的作用域、生命周期和链接属性。其共有五种存储类别，可以通过auto、register、static、extern和默认隐式等关键字声明。

存储类别与变量属性对照表

存储类别	关键字	作用域	生命周期	存储位置	默认初始化值	地址获取	链接属性
自动	auto	代码块	代码块执行期间	栈内存	未定义	可获取	无
寄存器	register	代码块	代码块执行期间	寄存器	未定义	不可获取	无
静态（内部）	static	文件	程序运行期间	静态存储区	0	可获取	内部
静态（局部）	static	代码块	程序运行期间	静态存储区	0	可获取	无
静态外部	extern	文件	程序运行期间	静态存储区	0	可获取	外部
隐式（全局）	无	文件	程序运行期间	静态存储区	0	可获取	外部

2.1、自动存储类别

属于自动存储类别的变量具有自动存储期、块作用域和无链接。默认情况下，声明在块或者函数头中的任何变量都属于自动存储类别。存储位置是栈内存。

• 特点：
  • 每次进入代码块时重新创建，退出时销毁。
  • 未初始化时值为未定义（随机）。
  • auto关键字很少使用，可以忽略。

void func() {
    int x = 10;  // 等价于 auto int x = 10;
    // x 在函数执行期间存在
}  // x 在此处销毁

2.2、寄存器存储类别

变量通常存储在计算机内存中，幸运的话，寄存器变量存储在CPU的寄存器中。与普通变量相比，访问和处理这些变量的速度更快。存储位置是CPU 寄存器（或高速缓存）。

• 特点：
  • 建议编译器将变量存储在寄存器中，提高访问速度。
  • 无法获取变量的地址（即&register_var非法）。
  • 编译器可能忽略register请求，将变量存储在内存中。

void loop() {
    register int i;  // 建议将i存储在寄存器中
    for (i = 0; i < 1000; i++) {
        // 高频访问的变量使用register可能提升性能
    }
}

2.3、无链接和内部链接的静态变量

块作用域的静态变量和自动变量一样，具有相同的作用域，但是程序离开它们所在的函数后，这些变量并不会消失，多次调用该函数也不会重新初始化该变量，即该变量的初始化只执行一次，后续改变的值存储在当前位置，不会丢失。

• 关键字：static
• 作用域：
  • 内部链接：文件作用域（仅当前文件可见）。
  • 无链接：代码块作用域（仅函数内可见，但保持全局寿命）。
• 生命周期：程序整个运行期间
• 存储位置：静态存储区
• 特点：
  • 未初始化时自动初始化为0（全局变量也如此）。
  • 内部链接的static变量可避免命名冲突（类似 C++ 的namespace）。

内部链接（文件作用域）

// file1.c
static int file_private = 100;  // 仅file1.c可见

void func() {
    // 可访问file_private
}

// file2.c
extern int file_private;  // 错误！无法外部链接

无链接（块作用域）

void counter() {
    static int count = 0;  // 仅首次调用时初始化
    count++;
    printf("Count: %d\n", count);
}

int main() {
    counter();  // 输出1
    counter();  // 输出2
    return 0;
}

2.4、 外部存储类别（Extern）

• 关键字：extern
• 作用域：文件作用域（全局可见）
• 生命周期：程序整个运行期间
• 存储位置：静态存储区
• 特点：
  • 声明已有变量或函数，不分配内存。
  • 用于跨文件共享全局变量或函数。

// file1.c
int global_var = 10;  // 定义全局变量

// file2.c
extern int global_var;  // 声明外部变量

void func() {
    printf("%d\n", global_var);  // 使用file1.c中的global_var
}

3、常见的使用技巧

1、静态变量的常见用途

• 实现函数内的计数器或状态保持；
• 缓存计算结果。

2、extern使用技巧
声明与定义分离，比如头文件中函数或外部链接变量声明。
3、register使用
常用于高频访问的变量，但不可获取地址。（且不一定能成功申请为寄存器变量）
4、auto变量
自动变量定义时，一定要进行初始化，否则不可使用其数值。
5、静态变量的线程安全问题
在多线程环境中，静态变量的修改需要加锁保护。

#include <pthread.h>

void thread_func() {
    static int counter = 0;
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    counter++;  // 线程不安全操作，需加锁
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}