c變量的作用域和生命週期

在討論函數的形參變量時曾經提到，形參變量只在被調用期間才分配內存單元，調用結束立即釋放。 這一點表明形參變量只有在函數內纔是有效的，離開該函數就不能再使用了。這種變量有效性的範圍稱變量的作用域。不僅對於形參變量，Ｃ語言中所有的量都有自己的作用域。變量說明的方式不同，其作用域也不同。 Ｃ語言中的變量，按作用域範圍可分爲兩種，即局部變量和全局變量。

一、局部變量

　　局部變量也稱爲內部變量。局部變量是在函數內作定義說明的。其作用域僅限於函數內， 離開該函數後再使用這種變量是非法的。
例如：
int f1(int a)
{
int b,c;
……
}a,b,c作用域
int f2(int x)
{
int y,z;
}x,y,z作用域
main()
{
int m,n;
}
m,n作用域 在函數f1內定義了三個變量，a爲形參，b,c爲一般變量。在 f1的範圍內a,b,c有效，或者說a,b,c變量的作用域限於f1內。同理，x,y,z的作用域限於f2內。 m,n的作用域限於main函數內。關於局部變量的作用域還要說明以下幾點：

1. 主函數中定義的變量也只能在主函數中使用，不能在其它函數中使用。同時，主函數中也不能使用其它函數中定義的變量。因爲主函數也是一個函數，它與其它函數是平行關係。這一點是與其它語言不同的，應予以注意。

2. 形參變量是屬於被調函數的局部變量，實參變量是屬於主調函數的局部變量。

3. 允許在不同的函數中使用相同的變量名，它們代表不同的對象，分配不同的單元，互不干擾，也不會發生混淆。如在例5.3 中，形參和實參的變量名都爲n，是完全允許的。4. 在複合語句中也可定義變量，其作用域只在複合語句範圍內。例如：
main()
{
int s,a;
……
{
int b;
s=a+b;
……b作用域
}
……s,a作用域
}[例5.11]main()
{
int i=2,j=3,k;
k=i+j;
{
int k=8;
if(i==3) printf("%d\n",k);
}
printf("%d\n%d\n",i,k);
}
main()
{
int i=2,j=3,k;
k=i+j;
{
int k=8;
if(i=3) printf("%d\n",k);
}
printf("%d\n%d\n",i,k);
}
　　本程序在main中定義了i,j,k三個變量，其中k未賦初值。而在複合語句內又定義了一個變量k，並賦初值爲8。應該注意這兩個k不是同一個變量。在複合語句外由main定義的k起作用，而在複合語句內則由在複合語句內定義的k起作用。因此程序第4行的k爲main所定義，其值應爲5。第7行輸出k值，該行在複合語句內，由複合語句內定義的k起作用，其初值爲8，故輸出值爲8，第9行輸出i，k值。i是在整個程序中有效的，第7行對i賦值爲3，故以輸出也爲3。而第9行已在複合語句之外，輸出的k應爲main所定義的k，此k值由第4 行已獲得爲5，故輸出也爲5。

二、全局變量

全局變量也稱爲外部變量，它是在函數外部定義的變量。它不屬於哪一個函數，它屬於一個源程序文件。其作用域是整個源程序。在函數中使用全局變量，一般應作全局變量說明。只有在函數內經過說明的全局變量才能使用。全局變量的說明符爲extern。但在一個函數之前定義的全局變量，在該函數內使用可不再加以說明。 例如：
int a,b;
void f1()
{
……
}
float x,y;
int fz()
{
……
}
main()
{
……
}
　　從上例可以看出a、b、x、y 都是在函數外部定義的外部變量，都是全局變量。但x,y 定義在函數f1之後，而在f1內又無對x,y的說明，所以它們在f1內無效。 a,b定義在源程序最前面，因此在f1,f2及main內不加說明也可使用。

[例5.12]輸入正方體的長寬高l,w,h。求體積及三個面x*y,x*z,y*z的面積。
int s1,s2,s3;
int vs( int a,int b,int c)
{
int v;
v=a*b*c;
s1=a*b;
s2=b*c;
s3=a*c;
return v;
}
main()
{
int v,l,w,h;
printf("\ninput length,width and height\n");
scanf("%d%d%d",&l,&w,&h);
v=vs(l,w,h);
printf("v=%d s1=%d s2=%d s3=%d\n",v,s1,s2,s3);
}
　　本程序中定義了三個外部變量s1,s2,s3， 用來存放三個面積，其作用域爲整個程序。函數vs用來求正方體體積和三個面積，函數的返回值爲體積v。由主函數完成長寬高的輸入及結果輸出。由於Ｃ語言規定函數返回值只有一個，當需要增加函數的返回數據時，用外部變量是一種很好的方式。本例中，如不使用外部變量，在主函數中就不可能取得v,s1,s2,s3四個值。而採用了外部變量， 在函數vs中求得的s1,s2,s3值在main 中仍然有效。因此外部變量是實現函數之間數據通訊的有效手段。對於全局變量還有以下幾點說明：

1. 對於局部變量的定義和說明，可以不加區分。而對於外部變量則不然，外部變量的定義和外部變量的說明並不是一回事。外部變量定義必須在所有的函數之外，且只能定義一次。其一般形式爲： [extern] 類型說明符 變量名，變量名… 其中方括號內的extern可以省去不寫。
例如： int a,b;
等效於：
extern int a,b;
　　而外部變量說明出現在要使用該外部變量的各個函數內， 在整個程序內，可能出現多次，外部變量說明的一般形式爲： extern 類型說明符 變量名，變量名，…； 外部變量在定義時就已分配了內存單元， 外部變量定義可作初始賦值，外部變量說明不能再賦初始值，只是表明在函數內要使用某外部變量。

2. 外部變量可加強函數模塊之間的數據聯繫，但是又使函數要依賴這些變量，因而使得函數的獨立性降低。從模塊化程序設計的觀點來看這是不利的，因此在不必要時儘量不要使用全局變量。

3. 在同一源文件中，允許全局變量和局部變量同名。在局部變量的作用域內，全局變量不起作用。
[例5.13]int vs(int l,int w)
{
extern int h;
int v;
v=l*w*h;
return v;
}
main()
{
extern int w,h;
int l=5;
printf("v=%d",vs(l,w));
}
int l=3,w=4,h=5;
　　本例程序中，外部變量在最後定義，因此在前面函數中對要用的外部變量必須進行說明。外部變量l，w和vs函數的形參l，w同名。外部變量都作了初始賦值，mian函數中也對l作了初始化賦值。執行程序時，在printf語句中調用vs函數，實參l的值應爲main中定義的l值，等於5，外部變量l在main內不起作用；實參w的值爲外部變量w的值爲4，進入vs後這兩個值傳送給形參l，wvs函數中使用的h 爲外部變量，其值爲5，因此v的計算結果爲100，返回主函數後輸出。變量的存儲類型各種變量的作用域不同，就其本質來說是因變量的存儲類型相同。所謂存儲類型是指變量佔用內存空間的方式， 也稱爲存儲方式。

變量的存儲方式可分爲“靜態存儲”和“動態存儲”兩種。

　　靜態存儲變量通常是在變量定義時就分定存儲單元並一直保持不變，直至整個程序結束。5.5.1節中介紹的全局變量即屬於此類存儲方式。動態存儲變量是在程序執行過程中，使用它時才分配存儲單元，使用完畢立即釋放。 典型的例子是函數的形式參數，在函數定義時並不給形參分配存儲單元，只是在函數被調用時，才予以分配，調用函數完畢立即釋放。如果一個函數被多次調用，則反覆地分配、 釋放形參變量的存儲單元。從以上分析可知， 靜態存儲變量是一直存在的，而動態存儲變量則時而存在時而消失。我們又把這種由於變量存儲方式不同而產生的特性稱變量的生存期。 生存期表示了變量存在的時間。生存期和作用域是從時間和空間這兩個不同的角度來描述變量的特性，這兩者既有聯繫，又有區別。 一個變量究竟屬於哪一種存儲方式，並不能僅從其作用域來判斷，還應有明確的存儲類型說明。

　　在Ｃ語言中，對變量的存儲類型說明有以下四種：
auto　　　　 自動變量
register 　　寄存器變量
extern 　　　外部變量
static 　　　靜態變量
　　自動變量和寄存器變量屬於動態存儲方式， 外部變量和靜態變量屬於靜態存儲方式。在介紹了變量的存儲類型之後，可以知道對一個變量的說明不僅應說明其數據類型，還應說明其存儲類型。 因此變量說明的完整形式應爲： 存儲類型說明符 數據類型說明符變量名，變量名…； 例如：
static int a,b; 　　　　　　　　　 說明a,b爲靜態類型變量
auto char c1,c2; 　　　　　　　　　說明c1,c2爲自動字符變量
static int a[5]={1,2,3,4,5}; 　　　說明a爲靜整型數組
extern int x,y; 　　　　　　　　　 說明x,y爲外部整型變量
下面分別介紹以上四種存儲類型：

一、自動變量的類型說明符爲auto。
　　這種存儲類型是Ｃ語言程序中使用最廣泛的一種類型。Ｃ語言規定， 函數內凡未加存儲類型說明的變量均視爲自動變量，也就是說自動變量可省去說明符auto。 在前面各章的程序中所定義的變量凡未加存儲類型說明符的都是自動變量。例如：
{ int i,j,k;
char c;
……
}等價於： { auto int i,j,k;
auto char c;
……
}
　　自動變量具有以下特點：
1. 自動變量的作用域僅限於定義該變量的個體內。在函數中定義的自動變量，只在該函數內有效。在複合語句中定義的自動變量只在該複合語句中有效。例如：
int kv(int a)
{
auto int x,y;
{ auto char c;
}
……
}

2. 自動變量屬於動態存儲方式，只有在使用它，即定義該變量的函數被調用時纔給它分配存儲單元，開始它的生存期。函數調用結束，釋放存儲單元，結束生存期。因此函數調用結束之後，自動變量的值不能保留。在複合語句中定義的自動變量，在退出複合語句後也不能再使用，否則將引起錯誤。例如以下程序：
main()
{ auto int a,s,p;
printf("\ninput a number:\n");
scanf("%d",&a);
if(a>0){
s=a+a;
p=a*a;
}
printf("s=%d p=%d\n",s,p);
}

s,p是在複合語句內定義的自動變量，只能在該複合語句內有效。而程序的第9行卻是退出複合語句之後用printf語句輸出s,p的值，這顯然會引起錯誤。

3. 由於自動變量的作用域和生存期都侷限於定義它的個體內( 函數或複合語句內)， 因此不同的個體中允許使用同名的變量而不會混淆。即使在函數內定義的自動變量也可與該函數內部的複合語句中定義的自動變量同名。例5.14表明了這種情況。
[例5.14]
main()
{
auto int a,s=100,p=100;
printf("\ninput a number:\n");
scanf("%d",&a);
if(a>0)
{
auto int s,p;
s=a+a;
p=a*a;
printf("s=%d p=%d\n",s,p);
}
printf("s=%d p=%d\n",s,p);
}
　　本程序在main函數中和複合語句內兩次定義了變量s,p爲自動變量。按照Ｃ語言的規定，在複合語句內，應由複合語句中定義的s,p起作用，故s的值應爲a+ a，p的值爲a*a。退出複合語句後的s,p 應爲main所定義的s,p，其值在初始化時給定，均爲100。從輸出結果可以分析出兩個s和兩個p雖變量名相同，但卻是兩個不同的變量。

4. 對構造類型的自動變量如數組等，不可作初始化賦值。

二、外部變量外部變量的類型說明符爲extern。

在前面介紹全局變量時已介紹過外部變量。這裏再補充說明外部變量的幾個特點：
1. 外部變量和全局變量是對同一類變量的兩種不同角度的提法。全局變是是從它的作用域提出的，外部變量從它的存儲方式提出的，表示了它的生存期。

2. 當一個源程序由若干個源文件組成時，在一個源文件中定義的外部變量在其它的源文件中也有效。例如有一個源程序由源文件F1.C和F2.C組成： F1.C
int a,b;
char c;
main()
{
……
}
F2.C
extern int a,b;
extern char c;
func (int x,y)
{
……
}
在F1.C和F2.C兩個文件中都要使用a,b,c三個變量。在F1.C文件中把a,b,c都定義爲外部變量。在F2.C文件中用extern把三個變量說明爲外部變量，表示這些變量已在其它文件中定義，並把這些變量的類型和變量名，編譯系統不再爲它們分配內存空間。對構造類型的外部變量， 如數組等可以在說明時作初始化賦值，若不賦初值，則系統自動定義它們的初值爲0。

三、靜態變量

　　靜態變量的類型說明符是static。 靜態變量當然是屬於靜態存儲方式，但是屬於靜態存儲方式的量不一定就是靜態變量，例如外部變量雖屬於靜態存儲方式，但不一定是靜態變量，必須由 static加以定義後才能成爲靜態外部變量，或稱靜態全局變量。對於自動變量，前面已經介紹它屬於動態存儲方式。但是也可以用static定義它爲靜態自動變量，或稱靜態局部變量，從而成爲靜態存儲方式。
由此看來， 一個變量可由static進行再說明，並改變其原有的存儲方式。