作用域与链接性

这是一篇关于C++变量的作用域与链接性的笔记，整理了各种相关概念以备疏忘。

存储持续性

按照变量在内存的生存周期，可以将变量分成三种类型

作用域与链接性

作用域描述了名称(变量名，或者函数名)的有效范围。例如，在函数中声明的变量，只能在该函数中被使用，而无法在其它函数中被使用。

变量的作用域有多种。全局作用域的变量在函数之外被声明，其作用域自声明位置至文件结尾；局部作用域的变量在代码块(例如，函数或者for循环)中被声明，其作用域自声明位置至代码块结束，自动变量的作用域为局部。静态变量的作用域取决于其声明的位置。

函数的作用域是整个类或者整个名称空间，即全局。如果其作用域是局部，意味着它的名称仅对自己可见，因此无法被其它函数调用，这样的函数是无法运行的。所以编译器禁止在代码块内部定义函数。

链接性描述了名称如何在不同单元间被共享使用。具有外部链接性的名称可在文件之间共享，内部链接性的名称只在本文件内部使用。自动变量【无】链接性，因为它们不能被共享。

自动变量

通常，在函数内声明的函数参数和变量为自动的、局部的、无链接性，它们保存在【栈区】。在函数内的代码块定义的变量，其作用域仅在该代码块内有效。而且，该变量会隐藏之前定义的具有相同名称的变量。例如

void main(){
	int first = 1;
	int second = 2;
	int end = 1000;
	for(int first = 0; first < end; first ++){
		std::cout << "Here is inner block:" << std::endl;
		std::cout << "Variable first = " << first << std::endl;
		std::cout << "Variable second = " << second << std::endl;
	}
	std::cout << "Here is outer block:" << std::endl;
	std::cout << "Variable first = " << first << std::endl;
	std::cout << "Variable second = " << second << std::endl;
}

第一次定义的变量first, 和变量second，end，作用域为整个main函数。但是在代码块for循环里面，第二次定义的同名变量first【隐藏】了之前定义的变量first ，使其在该代码块内失效。

程序使用两个指针来管理栈，一个指针指向栈底，即栈开始的位置；另一个指向栈顶，即下一个可用内存单元。程序在调用函数的时候，其自动变量会被压入栈中，获得内存，栈顶指针挪向下一个可用内存单元。待函数执行结束，自动变量被弹出栈，释放内存，栈顶指针指回调用函数之前的位置。也就是说，【只有在函数被执行的时候，自动变量才拥有内存】。

静态变量

静态变量有三种链接性：

• 外链接性：可在其它文件访问
• 内连接性：只能在本文件访问
• 无链接性：只能在本代码块(函数也是一种代码块)访问

所谓静态指的是，其内存地址由编译器自动分配，在程序运行期间都不会改变。而自动变量，在每次函数调用的时候都被分配到新的内存位置，用完后释放掉。另外，如果没有显示地初始化静态变量，编译器将默认设置为〇。

int global = 1000;
static int inner_file = 50;
int main(){
	func(); // auto_virable = 10, inner_file = 30
    func(); // auto_virable = 10, inner_file = 40
}
void func(){
    static int inner_func = 30;
    int auto_virable = 10;
    std::cout << "auto:   " << auto_virable << endl;
    std::cout << "static: " << innner_file << endl;
    inner_file = inner_file + 10;
}

定义在【函数之外】的变量均为静态变量，如果无关键字static修饰，则具有外链接性，上例中global即是如此；否则具有内链接性，例如变量inner_file。在代码块之内有【static】修饰的变量为静态变量，不具有链接性，否则是自动变量。静态变量【一定】拥有内存，在上例中，即使函数func()没有被调用，编译器依然为变量inner_func分配内存，而自动变量只有被运行时才拥有内存。

静态变量的另一个「静态」指的是，在函数两次调用期间，其值保持不变。在上例中，第一次执行完func()以后，变量auto_virable被释放掉，而inner_file依旧存在于内存之中，值为40；第二次调用func()，编译器并不会再次初始化inner_file，因此它的值依旧为40。

如要使用同目录下的其它文件中的全局变量，需要使用extern声明，且不能初始化，否则变声明为定义，违反「单定义原则」。

// file1.cpp
extern int cat = 20;  // definition, "extern" is not obligatory
int dogs = 22;		 // definition
...
// file2.cpp
extern int cats;      // declaration, defined in file1.cpp
extern int dogs;	  // declaration
...

同样的，变量隐藏也适用于静态变量。通常，使用extern修饰的变量在文件之间共享数据，使用static修饰的变量在文件内的各个代码块之间共享数据。

一个容易和静态变量混淆的概念是常量变量，由关键字const修饰的变量。此类变量一旦被定义，其内存里的内容在生命期内都不能被改变，而静态变量是内存地址不会变。在【函数外】定义的常量变量具有内链接性，除非使用extern修饰。

// file1.cpp
const int fingers = 10;  	// internal linkage
extern const int eyes = 2;	// external linkage
...
// file2.cpp
extern int eys;				// defined in file1.cpp
...

函数的链接性

函数的存储特性是静态的，即无论是否调用，被定义的函数代码块都会获得内存地址。

同样地，函数也具有链接性。首先函数不可能是无连接性，因此禁止在函数内部定义另外一个函数。通常，函数具有外部链接性，可在文件间共享。可以在函数原型中使用extern指出此函数在另外一个文件中被定义，

// file1.cpp
extern int external_func();
...
// file2.cpp
int external_func(){
	...
}
...

也可以使用static来限制函数为内链接性，但必须同时在函数原型与函数定义中使用static修饰，此类函数仅限本文件使用。

static int internal_func();		// prototype
...
static int internal_func(){		// definition
	...
}

和变量类似，在定义静态函数的文件中，静态函数可隐藏外部定义，即使在其它文件中定义了同名的外部函数，此文件仍将使用该静态函数。