對C語言中的static關鍵字的深入理解
在閱讀一些項目源代碼時，我發現很多時候，會把函數和變量聲明爲static，所以，很好奇爲什麼要這樣做，於是有了下面這篇文章。
基本概念
使用static有三種情況：
- 函數內部static變量
- 函數外部static變量
- static函數
函數內部的static變量，關鍵在於生命週期持久，他的值不會隨着函數調用的結束而消失，下一次調用時，static變量的值，還保留着上次調用後的內容。
函數外部的static變量，以及static函數，關鍵在於私有性，它們只屬於當前文件，其它文件看不到他們。例如：
/* test_static1.c */
#include <stdio.h>
void foo() {
}
static void bar() {
}
int i = 3;
static int j = 4;
int main(void){
printf ("%d \n", i);
printf ("%d \n", j);
return 0;
}
/* test_static2.c */
void foo() {
}
static void bar() {
}
int i = 1;
static int j = 2;
將兩個文件一起編譯
gcc test_static1.c test_static2.c -o test_static
編譯器會提示：
/tmp/ccuerF9V.o: In function `foo':
test_static2.c:(.text+0x0): multiple definition of `foo'
/tmp/cc9qncdw.o:test_static1.c:(.text+0x0): first defined here
/tmp/ccuerF9V.o:(.data+0x0): multiple definition of `i'
/tmp/cc9qncdw.o:(.data+0x0): first defined here
collect2: ld returned 1 exit status
把與非static變量i相的語句註釋掉就不會有此提示i重複定義了，原因就在於使用static聲明後，變量私有化了，不同文件中的同名變量不會相互chong_tu。
static 函數也與此類似，將函數聲明爲static，說明我們只在當前文件中使用這個函數，其它文件看不到，即使重名，也不會相互chong_tu。
深入理解
從來就不應該僅僅滿足於瞭解現象，還要了解現象的背後有什麼
爲什麼函數內部的static變量和普通函數變量生命週期不一樣
我們的程序，從源代碼經過編譯，鏈接生成了可執行文件，可執行文件被加載到存儲器中，然後執行。以Unix程序爲例，每個Unix程序都有一個運行時存儲器映像。可以理解爲程序運行時，存儲器中的數據分佈。
圖1 Linux運行時存儲器映像
當程序運行時，操作系統會創建用戶棧(User stack)，一個函數被調用時，它的參數，局部變量，返回地址等等，都會被壓入棧中，當函數執行結束後，這些數據就會被其它函數使用，所以函數調用結束後，局部變量的值不會被保持。我們將此區域放大，可以看到用戶棧中都有哪些內容。
圖2 棧幀結構
而static變量與普通局部變量不同，它不是保留在棧中。注意圖一中，有一塊區域，"Loaded from executable file"，其中有一塊 .data, .bss區，static變量會被存儲在這裏，所以函數調用結束後，static變量的值仍然會得到保留。而 .data, .bss區，executable file，與程序的編譯，鏈接，相關。
首先，多個源代碼會分別被編譯成可重定位目標程序，然後鏈接器會最終生成可執行目標程序。可重定位目標程序的結構如圖3所示，可以看出，此時，.data, .bss區，已經出現。
圖3 可重定位目標程序
.data 區存儲已經初始化的全局C變量，.bss 區存儲沒有初始化的全局C變量，所以這兩個區域又被稱爲全局區。而編譯器會爲每個static變量在.data或者.bss中分配空間。
可執行目標程序的結構如圖4所示
圖4 可執行目標程序
將圖4與圖1比較，就會發現，可執行目標程序的一部分被加載到存儲器中，這就是"Loaded from executable file"的來源。
另外，從圖一中，也可以看出，使用malloc分配的內存空間，與函數局部變量，static變量的不同。
爲什麼函數外部的static變量及static函數只對文件內部可見
要解釋這個問題，我們首先要理解問題本身。這個問題的本質其實是，當我們遇到一個變量或者函數時，我們去哪裏尋找它，static變量/函數與普通變量/函數的尋找方式有什麼不同。
我們回到剛纔的例子，這一次，仔細地觀察編譯鏈接時的提示信息：
/* test_static1.c */
#include <stdio.h>
void foo() {
}
static void bar() {
}
int i = 3;
static int j = 4;
int main(void){
printf ("%d \n", i);
printf ("%d \n", j);
return 0;
}
/* test_static2.c */
void foo() {
}
static void bar() {
}
int i = 1;
static int j = 2;
將兩個文件一起編譯
gcc test_static1.c test_static2.c -o test_static
編譯器會提示：
/tmp/ccuerF9V.o: In function `foo':
test_static2.c:(.text+0x0): multiple definition of `foo'
/tmp/cc9qncdw.o:test_static1.c:(.text+0x0): first defined here
/tmp/ccuerF9V.o:(.data+0x0): multiple definition of `i'
/tmp/cc9qncdw.o:(.data+0x0): first defined here
collect2: ld returned 1 exit status
你會發現，雖然我們只用了一條命令對兩個文件進行編譯鏈接，但是，實際上，兩個源文件是被分別編譯成/tmp/ccuerF9V.o及/tmp/cc9qncdw.o，並且，錯誤並不是出現在編譯時，而是出現在鏈接時，鏈接器ld返回了1。鏈接是把兩個可重新定位的目標程序，組合在一起，組合的時候，我們發現了變量i及函數foo的定義出現chong_tu。而聲明爲static的變量j及函數bar並沒有提示chong_tu。
這說明，在ld進行鏈接時，需要進行某種檢查，去發現chong_tu。ld的輸入是每個源文件生成的可重定位目標文件，那麼這些目標文件裏一定會有一些信息，告訴ld它們有什麼變量，然後ld才能檢查是不是有chong_tu。
說起可重定位目標文件，我們一直都沒有解釋爲什麼要重定位。其實這很好理解，一個源文件編譯後，如果生成的目標文件中，各個地址就是最終運行時的地址，那麼這些地址很可能會和其它文件中的地址chong_tu。因爲編譯一個文件時，我們不會知道有其它文件的存在，所以編譯時無法確定最終的地址。因此，編譯單個文件時，生成的目標文件中的地址都是從0開始，鏈接時，鏈接器會將不同目標文件中的地址重新定位，最終生成可執行文件。注意這裏的chong_tu和前面說的chong_tu不是一回事，這裏的chong_tu是不同的可重定位目標文件中相同地址的chong_tu，前面一段講的是同名變量之間的chong_tu。
此時，我們不得不回到可重定位目標文件的格式。
圖3 可重定位目標程序
注意 .symtab節，這個節存儲符號表，假設當前可重定位目標模塊爲m, 符號表會告訴我們m中定義和引用的符號信息，主要分爲：
- m定義，並可以被其它模塊引用的全局符號：m中的非static函數，非static全局變量。
- 由其它模塊定義，並被m引用的全局符號：m中使用extern聲明的變量
- 只被m引用的本地符號：m中的static函數，static全局變量。
現在編譯一下，然後用GNU READELF工具看一下符號表。
$ gcc -c test_static1.c -o test_static1.o
$ readelf -s test_static1.o
Symbol table '.symtab' contains 15 entries:
Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name
0: 00000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND
1: 00000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS test_static1.c
2: 00000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1
3: 00000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 3
4: 00000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 4
5: 00000005 5 FUNC LOCAL DEFAULT 1 bar
6: 00000004 4 OBJECT LOCAL DEFAULT 3 j
7: 00000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 5
8: 00000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 7
9: 00000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 8
10: 00000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 6
11: 00000000 5 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 foo
12: 00000000 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 3 i
13: 0000000a 62 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 main
14: 00000000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND printf
表的數據結構不解釋，有興趣，看擴展閱讀部分。
現在，假如你是鏈接器ld，我給你2個可重定位目標程序，你從中得到兩個符號表，這時候，你就可以檢查出兩個符號表是否存在chong_tu了。
由於全局符號可能會定義相同的名字，鏈接器會有一套規則，來確定選擇哪個符號。符號分爲強符號與弱符號。
- 強符號：函數和已經初始化的全局變量是強符號
- 弱符號：未初始化的全局變量是弱符號
處理相同名字的全局符號的規則是：
- 不允許有多個強符號
- 如果有一個強符號，多個弱符號，那麼選擇強符號
- 如果有多個弱符號，那麼從中任意選擇一個
明白了這些規則，你其實可以明白很多事情，不僅僅包括什麼時候，變量名，函數名會chong_tu，還包括爲什麼要儘量避免使用全局變量，爲什麼要使用static把數據私有化。看看規則3，“任意”兩個字，有沒有讓你感覺有一絲不適。
這也是爲什麼我們要探索事物背後機理的原因，不僅僅是在出現錯誤時，我們知道哪裏有問題，還幫助我們寫出更健壯的程序。
擴展閱讀
《深入理解計算機系統》(Computer Systems, A Programmer's Perspective): 第七章 鏈接
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