程序員C語言快速上手——進階篇（八）

進階篇

程序結構與作用域

過程式、模塊化的C語言程序是由多個源文件（.c文件）構成的，在每一個源文件中，都形成一個文件作用域。所謂作用域，實際上就是指有效範圍。一旦離開這個源文件的範圍，就相當於離開了該源文件的文件作用域。在源文件中定義函數，那麼在函數之外的地方，就屬於全局作用域，即使是多個源文件，只要在函數之外，那它們就都屬於全局作用域，全局作用域，全局都可訪問。而在函數之內的空間聲明變量，那它屬於局部作用域。

局部變量

局部變量是指在某個函數內部聲明的變量。它有兩個含義

1. 在某個函數內聲明的局部變量，不能被其他的函數使用，意即只在聲明它的函數內有效。
2. 每次調用函數時，生成的局部變量的儲存空間可能都是不同的，意即局部變量在函數調用結束後，就會釋放，下次調用函數，生成的局部變量又是一個新的。

還要注意一點，在函數的形式參數中聲明的變量，也都是局部變量。

全局變量

與局部變量相對的概念是全局變量，它聲明在所有的函數體之外。全局變量在文件作用域內可見，即從變量被聲明的下一行，一直到當前文件的末尾，它都可以被直接使用，因此全局變量可以被它之後定義的所有函數訪問。

需要注意一點，編譯器會自動將全局變量進行零值初始化。因此在使用時，只需要聲明即可。如果需要手動指定其值進行初始化，則它只能被常量表達式初始化，使用其他的變量表達式初始化是不合法的。

//全局變量(正確)
int minute = 360 -10;

//錯誤!!! 全局變量必須使用常量表達式初始化
int hour = minute/60;

// 訪問全局變量 minute
int f(int h){
    //h 是局部變量
    return h*minute;
}

int main(){
    // 局部變量
    int day=0;
    return 0;
}

static關鍵字

除了局部變量和全局變量，C語言中還有靜態局部變量和靜態全局變量，聲明時使用static關鍵字修飾即代表靜態的意思。

#include <stdio.h>

// 靜態全局變量
static int s_global;

int get_count(){
    // 靜態局部變量
    static int count;
    count++;
    return count;
}

int main(){
    printf("%d\n",get_count());
    printf("%d\n",get_count());
    printf("%d\n",get_count());
    printf("%d\n",get_count());
 
    return 0;
}

靜態全局變量和普通全局變量的區別不是很大，主要體現在訪問權限的區別上。在C語言中，全局變量是在整個程序的生命期中都有效的，換句話說，也就是一旦聲明瞭一個全局變量，則整個程序中都可以訪問，而靜態全局變量，則只在聲明它的那個源文件中可以訪問。靜態全局變量雖然也是在整個程序的生命期中都有效，但它在其他文件中不可見，無法被訪問。關於這一點的細則，在下面的extern關鍵字的使用中做詳細說明。

靜態局部變量和普通局部變量的區別就比較大了，主要有三個區別

1. 存儲位置不同。靜態局部變量被編譯器放在全局存儲區，雖是局部變量，但是在程序的整個生命期中都存在。而普通局部變量在函數調用結束後就會被釋放。從這一點上看，靜態局部變量和全局變量被放在了相同的儲存位置。
2. 靜態局部變量會被編譯器自動初始化爲零值。我們都知道普通局部變量的原則是先初始化後使用，而靜態局部變量則和全局變量一樣，會被自動初始化，使用時只需聲明，無需手動初始化。
3. 靜態局部變量只能被聲明它的函數訪問。靜態局部變量與普通局部變量的訪問權限相同，都只能被聲明它的函數使用。如上例，靜態局部變量count只能被get_count函數使用，即使count變量在整個程序的生命期中都有效，其他函數也無法使用它。

說完了靜態局部變量後，大家肯定疑惑，既然它只在聲明它的函數中使用，那它還有什麼意義呢？直接使用普通局部變量不就行了，幹嘛要用它？我們知道，普通局部變量在函數每次被調用的時候都會生成一個新的，調用結束後又將它釋放，如果一個函數被頻繁調用，這樣性能豈不是很低？因爲需要不停的生成新的局部變量，然後又釋放掉，然後又生成新的……但是給局部變量加上了static修飾後，函數無論被調用多少次，都不會再生成新的局部變量，始終都是複用的同一個變量，這就大大減少了對內存的操作，提升了性能。

舉個生活中的例子，如果你在公司樓下有一個固定的私人停車位，那麼你每天上班只需要把車停在固定的地方就好，如果你沒有私人停車位，那你每天到公司樓下，都需要四處去找一個空位子停車，豈不是很麻煩，效率又低，弄不好因爲找停車位導致打卡遲到。

既然靜態局部變量這麼好，那是不是可以濫用呢？還是回到上面的例子，如果你是公司特聘人員，一個月只需要上兩天班，那麼你有必要在公司樓下買一個固定的私人停車位嗎？顯然是沒有必要的，因此當函數不會被頻繁調用時，不應當考慮使用靜態局部變量。

最後需要特別注意，靜態局部變量會一直保存上次的值，因爲它一直都存在。基於這個特性，我們通常可以使用靜態局部變量做計數器，如上例，每次調用get_count函數時，對靜態局部變量count自增1，打印結果如下：

1
2
3
4

靜態函數
static關鍵字除了可以修飾變量，還可以用來修飾函數。在C++、Java等面向對象的編程語言中，都存在類似於private的權限訪問控制，而C語言中的static關鍵字，就類似這種private，被它修飾的函數只能在當前源文件中使用，在其他源文件中無法被訪問。通常來說，C語言編寫的大型的模塊化工程中，不需要共享的函數都應該使用static關鍵字來修飾。

需要特別注意，由於C語言沒有命名空間的概念，它只有一個全局作用域，當你的C程序十分龐大時，存在幾百上千個函數時，很難保證函數不會同名。當然，通過嚴格的代碼規範，命名規範，可以人爲的保證函數不會同名，但我們可以保證自己寫的函數不會同名，卻無法保證引入的外部庫的函數不會和我們的函數同名。一旦函數同名了，就會形成命名衝突，這就是爲什麼我們看一些C語言編寫的開源庫時，變量名、函數命名非常的複雜，名字很長，多個單詞大寫或以下劃線分隔，這樣怪異的命名很大程度上就是爲了避免命名衝突。基於此，我們編寫非公開、非共享的函數時，都應當使用static修飾，以此來避免一部分命名衝突問題。static修飾的函數，只在當前源文件中可見，在另一個源文件中聲明一個同名的函數，就不會產生命名衝突。

示例
編寫f1.c源文件

int get_count(){
    static int count;
    count++;
    return count;
}

編寫main.c源文件

#include <stdio.h>

int get_count();

int main(){
    printf("%d\n",get_count());
    printf("%d\n",get_count());
    return 0;
}

編譯：gcc f1.c main.c -o main
編譯、運行正常

修改f1.c，添加static修飾

static int get_count(){
    static int count;
    count++;
    return count;
}

編譯報錯，在main.c源文件中無法使用靜態函數get_count

extern關鍵字

在說明extern關鍵字前，先來看一個示例
編寫t1.c

// 全局變量
int s_global=12;

編寫main.c

#include <stdio.h>

int main(){
    printf("s_global=%d\n",s_global);
    return 0;
}

編譯：gcc t1.c main.c -o main
這樣會直接報錯： error: 's_global' undeclared (first use in this function)

這好像和我們前面說的有些不符，全局變量是在整個程序的生命期都有效的，在全局可訪問的，但是現在卻報錯了。大家要注意前面的措辭，全局變量在文件作用域內可見，即從變量被聲明的下一行，一直到當前文件的末尾，它都可以被直接使用。這裏的關鍵就是直接使用，在t1.c源文件中是可以直接使用的，但是main.c中就無法直接使用了。

當全局變量離開了它的文件作用域後，無法直接使用，這時候我們需要另一個關鍵字extern來幫助我們使用它。

修改main.c

#include <stdio.h>
// 寫在函數外部，表示在當前文件中的任意地方都可以使用s_global
// extern int s_global;

int main(){
	// 寫在函數內部，僅在函數中使用
	extern int s_global;
    printf("s_global=%d\n",s_global);
    return 0;
}

再次編譯成功，運行結果

s_global=12

在這裏，extern int s_global;並不是重新聲明變量的意思，它表示的是引用全局變量s_global，一定要注意，如果不存在一個全局變量s_global，是無法編譯的，也就是說，使用extern來引用全局變量時，全局變量一定要存在。

extern主要是用來修飾變量的，當然也可以用來修飾函數，通常C語言中的函數都使用頭文件包含的方式引入聲明，但我們也可以使用extern修飾。實際上C語言中的函數聲明默認都是包含extern的，無需手動指定。

//以下兩種是等價的，無需手動指定extern關鍵字
int get_count();
extern int get_count();

小拓展
有時候我們可能會看到extern “C”這樣的聲明，請注意，這不是C語言的語法，也不屬於C語言。有些C++程序員，經常把C語言和C++語言搞混，實際上這是兩種不同的語言，C++也並不是很多人說的那樣，完全是C語言的超集，更準確的說法應該是，C++是一種獨立的語言，它兼容C語言的絕大多數語法，但並不是百分百完全兼容。C++除了兼容的C語言的語法，另一部分就是它獨立的內容。如果不能完全清楚這兩種語言的邊界，就會發生語法弄混的情況。

在C++中，當需要調用純C語言編寫的函數時，通常會使用extern “C”聲明，表明這是純C語言的內容。

模塊化開發的補充

頭文件的嵌套包含

所謂嵌套包含，就是指在一個頭文件中，還可以使用#include預編譯指令，包含其他的頭文件。
例如，我們編寫一個頭文件bool.h

#define Bool int
#define False 0
#define True 1

在以上頭文件中，我們使用宏定義了新類型Bool，接着編寫func.h頭文件

#include "bool.h"

// 聲明一個函數，返回值爲Bool類型，值可以是False 或者True 
Bool check();

頭文件的保護

如果一個源文件將同一個頭文件包含兩次，那麼就可能會產生編譯錯誤。因此，在C語言的模塊化開發中，一定要避免將同一個頭文件包含兩次。但是，有時候這種包含不是明顯的，而是一種隱式的包含，不易察覺，不知不覺就犯下了錯誤。

如下例，分別創建h1.h、h2.h、h3.h三個頭文件
h1.h內容

#include "h3.h"
……

h2.h內容

#include "h3.h"
……

可以看到，h1.h、h2.h兩個頭文件分別都包含了一個相同的h3.h頭文件，那麼如果在main.c中分別包含這兩個頭文件

// main.c
#include "h1.h"
#include "h2.h"
……

這樣一來，實際上就等同於在main.c中將h3.h頭文件include了兩次，顯然違背了我們上面說的，不能在一個源文件中將同一個頭文件包含兩次的原則。因爲所謂頭文件包含，實際上就是將頭文件中的聲明覆制到當前源文件中，那麼上例中h3.h一定會被複制兩次。

問題出來了，該如何解決呢？在複雜的大型工程中，頭文件被重複包含的問題一定是避免不了的，這個時候就需要我們上一章講的條件編譯知識出來救場了。

修改h3.h文件

內容如下

// 如果沒有定義過_H_H3_ 宏，則定義一個_H_H3_ 宏
#ifndef _H_H3_
#define _H_H3_

// 聲明的內容 ……

#endif

改造頭文件之後，再去源文件使用，就不會存在重複包含的問題了。

注意，這裏使用#ifndef和#endif將整個頭文件中的全部內容包裹起來，然後在#ifndef之後通過#define定義一個宏，這樣一來，#ifndef和#endif之間的內容就只會被預編譯一次，而不會重複包含。這種機制，被戲稱爲頭文件衛士，或者稱爲頭文件保護。如果對於這種寫法不太理解，可以使用上一章介紹的gcc -E命令，生成預編譯代碼查看，即可明瞭。

最後，需特別注意的地方是宏的名字，這裏是_H_H3_，使用頭文件包含這種機制時，宏定義的名字一定要獨特，避免重複，以免導致各種不可預知的問題。通常宏的名字要全部大寫，並用下劃線來分隔單詞或縮寫，在這個宏的名稱中，最好包含當前頭文件的文件名，例如H3。

在C語言中，我們以後自己編寫頭文件，建議在所有編寫的頭文件中都使用這種頭文件保護機制，因爲你不知道什麼時候，你的這個頭文件可能就會被重複包含，如上例，h1.h、h2.h、h3.h三個頭文件都應當使用頭文件保護機制。

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