c與c++ static函數的區別

static關鍵字是C, C++中都存在的關鍵字, 它主要有三種使用方式, 其中前兩種只指在C語言中使用, 第三種在C++中使用(C,C++中具體細微操作不盡相同, 本文以C++爲準).
(1)局部靜態變量
(2)外部靜態變量/函數
(3)靜態數據成員/成員函數
下面就這三種使用方式及注意事項分別說明
一、局部靜態變量
在C/C++中, 局部變量按照存儲形式可分爲三種auto, static, register

(<C語言程序設計(第二版)>譚浩強, 第174-175頁)
與auto類型(普通)局部變量相比, static局部變量有三點不同
1. 存儲空間分配不同
auto類型分配在棧上, 屬於動態存儲類別, 佔動態存儲區空間, 函數調用結束後自動釋放, 而static分配在靜態存儲區, 在程序整個運行期間都不釋放. 兩者之間的作用域相同, 但生存期不同.
2. static局部變量在所處模塊在初次運行時進行初始化工作, 且只操作一次
3. 對於局部靜態變量, 如果不賦初值, 編譯期會自動賦初值0或空字符, 而auto類型的初值是不確定的. (對於C++中的class對象例外, class的對象實例如果不初始化, 則會自動調用默認構造函數, 不管是否是static類型)
特點: static局部變量的”記憶性”與生存期的”全局性”
所謂”記憶性”是指在兩次函數調用時, 在第二次調用進入時, 能保持第一次調用退出時的值. 
示例程序一

#include <iostream>
using namespace std;
void staticLocalVar()
{
static int a = 0; // 運行期時初始化一次, 下次再調用時, 不進行初始化工作
cout<<"a="<<a<<endl;
++a;
}
int main()
{
staticLocalVar(); // 第一次調用, 輸出a=0
staticLocalVar(); // 第二次調用, 記憶了第一次退出時的值, 輸出a=1
return 0;
}

應用:
利用”記憶性”, 記錄函數調用的次數(示例程序一)
利用生存期的”全局性”, 改善”return a pointer / reference to a local object”的問題. Local object的問題在於退出函數, 生存期即結束,. 利用static的作用, 延長變量的生存期.
示例程序二:

// IP address to string format
// Used in Ethernet Frame and IP Header analysis
const char * IpToStr(UINT32 IpAddr)
{
static char strBuff[16]; // static局部變量, 用於返回地址有效
const unsigned char *pChIP = (const unsigned char *)&IpAddr;
sprintf(strBuff, "%u.%u.%u.%u", pChIP[0], pChIP[1], pChIP[2], pChIP[3]);
return strBuff;
}

注意事項:
1. “記憶性”, 程序運行很重要的一點就是可重複性, 而static變量的”記憶性”破壞了這種可重複性, 造成不同時刻至運行的結果可能不同.
2. “生存期”全局性和唯一性. 普通的local變量的存儲空間分配在stack上, 因此每次調用函數時, 分配的空間都可能不一樣, 而static具有全局唯一性的特點, 每次調用時, 都指向同一塊內存, 這就造成一個很重要的問題 ----不可重入性!!!
這樣在多線程程序設計或遞歸程序設計中, 要特別注意這個問題.
(不可重入性的例子可以參見<effective C++ (2nd)>(影印版)第103-105頁)
下面針對示例程序二, 分析在多線程情況下的不安全性.(爲方便描述, 標上行號)

const char * IpToStr(UINT32 IpAddr)
{
static char strBuff[16]; // static局部變量, 用於返回地址有效
const unsigned char *pChIP = (const unsigned char *)&IpAddr;
sprintf(strBuff, "%u.%u.%u.%u", pChIP[0], pChIP[1], pChIP[2], pChIP[3]);
return strBuff;
}

假設現在有兩個線程A,B運行期間都需要調用IpToStr()函數, 將32位的IP地址轉換成點分10進制的字符串形式. 現A先獲得執行機會, 執行IpToStr(), 傳入的參數是0x0B090A0A, 順序執行完應該返回的指針存儲區內容是:”10.10.9.11”, 現執行到⑥時, 失去執行權, 調度到B線程執行, B線程傳入的參數是0xA8A8A8C0, 執行至⑦, 靜態存儲區的內容是192.168.168.168. 當再調度到A執行時, 從⑥繼續執行, 由於strBuff的全局唯一性, 內容已經被B線程沖掉, 此時返回的將是192.168.168.168字符串, 不再是10.10.9.11字符串.

二、外部靜態變量／函數
在C中 static有了第二種含義：用來表示不能被其它文件訪問的全局變量和函數。但爲了限制全局變量/函數的作用域, 函數或變量前加static使得函數成爲靜態函數。但此處“static”的含義不是指存儲方式，而是指對函數的作用域僅侷限於本文件(所以又稱內部函數)。注意此時, 對於外部(全局)變量, 不論是否有static限制, 它的存儲區域都是在靜態存儲區, 生存期都是全局的. 此時的static只是起作用域限制作用, 限定作用域在本模塊(文件)內部.
使用內部函數的好處是：不同的人編寫不同的函數時，不用擔心自己定義的函數，是否會與其它文件中的函數同名。
示例程序三:

//file1.cpp

static int varA;
int varB;
extern void funA()
{
……
}

static void funB()
{
……
}

//file2.cpp

extern int varB; // 使用file1.cpp中定義的全局變量
extern int varA; // 錯誤! varA是static類型, 無法在其他文件中使用
extern vod funA(); // 使用file1.cpp中定義的函數
extern void funB(); // 錯誤! 無法使用file1.cpp文件中static函數

三、靜態數據成員／成員函數(C++特有)
C+ +重用了這個關鍵字，並賦予它與前面不同的第三種含義：表示屬於一個類而不是屬於此類的任何特定對象的變量和函數. 這是與普通成員函數的最大區別, 也是其應用所在, 比如在對某一個類的對象進行計數時, 計數生成多少個類的實例, 就可以用到靜態數據成員. 在這裏面, static既不是限定作用域的, 也不是擴展生存期的作用, 而是指示變量/函數在此類中的唯一性. 這也是”屬於一個類而不是屬於此類的任何特定對象的變量和函數”的含義. 因爲它是對整個類來說是唯一的, 因此不可能屬於某一個實例對象的. (針對靜態數據成員而言, 成員函數不管是否是static, 在內存中只有一個副本, 普通成員函數調用時, 需要傳入this指針, static成員函數調用時, 沒有this指針. )
請看示例程序四(<effective c++ (2nd)>(影印版)第59頁)

class EnemyTarget {
public:
EnemyTarget() { ++numTargets; }
EnemyTarget(const EnemyTarget&) { ++numTargets; }
~EnemyTarget() { --numTargets; }
static size_t numberOfTargets() { return numTargets; }
bool destroy(); // returns success of attempt to destroy EnemyTarget object
private:
static size_t numTargets; // object counter
};
// class statics must be defined outside the class;
// initialization is to 0 by default
size_t EnemyTarget::numTargets;

在這個例子中, 靜態數據成員numTargets就是用來計數產生的對象個數的.
另外, 在設計類的多線程操作時, 由於POSIX庫下的線程函數pthread_create()要求是全局的, 普通成員函數無法直接做爲線程函數, 可以考慮用Static成員函數做線程函數.