程序员C语言快速上手——进阶篇（八）

水深无声 2021-12-17 00:51 264阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  进阶篇
 *   *  程序结构与作用域
     *   *  局部变量
         *  全局变量
         *  static关键字
         *  extern关键字
     *  模块化开发的补充
     *   *  头文件的嵌套包含
         *  头文件的保护
 *  欢迎关注我的公众号：编程之路从0到1

# 进阶篇 #

## 程序结构与作用域 ##

过程式、模块化的C语言程序是由多个源文件（.c文件）构成的，在每一个源文件中，都形成一个文件作用域。所谓**作用域**，实际上就是指有效范围。一旦离开这个源文件的范围，就相当于离开了该源文件的文件作用域。在源文件中定义函数，那么在函数之外的地方，就属于全局作用域，即使是多个源文件，只要在函数之外，那它们就都属于全局作用域，全局作用域，全局都可访问。而在函数之内的空间声明变量，那它属于局部作用域。

### 局部变量 ###

局部变量是指在某个函数内部声明的变量。它有两个含义

1.  在某个函数内声明的局部变量，不能被其他的函数使用，意即只在声明它的函数内有效。
2.  每次调用函数时，生成的局部变量的储存空间可能都是不同的，意即局部变量在函数调用结束后，就会释放，下次调用函数，生成的局部变量又是一个新的。

还要注意一点，在函数的形式参数中声明的变量，也都是局部变量。

### 全局变量 ###

与局部变量相对的概念是全局变量，它声明在所有的函数体之外。全局变量在**文件作用域**内可见，即从变量被声明的下一行，一直到当前文件的末尾，它都可以被直接使用，因此全局变量可以被它之后定义的所有函数访问。

需要注意一点，编译器会自动将全局变量进行零值初始化。因此在使用时，只需要声明即可。如果需要手动指定其值进行初始化，则它只能被常量表达式初始化，使用其他的变量表达式初始化是不合法的。

//全局变量(正确)
    int minute = 360 -10;
    
    //错误!!! 全局变量必须使用常量表达式初始化
    int hour = minute/60;
    
    // 访问全局变量 minute
    int f(int h){ 
        //h 是局部变量
        return h*minute;
    }
    
    int main(){ 
        // 局部变量
        int day=0;
        return 0;
    }

### static关键字 ###

除了局部变量和全局变量，C语言中还有静态局部变量和静态全局变量，声明时使用`static`关键字修饰即代表静态的意思。

#include <stdio.h>
    
    // 静态全局变量
    static int s_global;
    
    int get_count(){ 
        // 静态局部变量
        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;
    }

静态全局变量和普通全局变量的区别不是很大，主要体现在访问权限的区别上。在C语言中，全局变量是在整个程序的生命期中都有效的，换句话说，也就是一旦声明了一个全局变量，则整个程序中都可以访问，而静态全局变量，则只在声明它的那个源文件中可以访问。静态全局变量虽然也是在整个程序的生命期中都有效，但它在其他文件中不可见，无法被访问。关于这一点的细则，在下面的`extern`关键字的使用中做详细说明。

**静态局部变量和普通局部变量的区别就比较大了，主要有三个区别**

1.  存储位置不同。静态局部变量被编译器放在全局存储区，虽是局部变量，但是在程序的整个生命期中都存在。而普通局部变量在函数调用结束后就会被释放。从这一点上看，静态局部变量和全局变量被放在了相同的储存位置。
2.  静态局部变量会被编译器自动初始化为零值。我们都知道普通局部变量的原则是先初始化后使用，而静态局部变量则和全局变量一样，会被自动初始化，使用时只需声明，无需手动初始化。
3.  静态局部变量只能被声明它的函数访问。静态局部变量与普通局部变量的访问权限相同，都只能被声明它的函数使用。如上例，静态局部变量`count`只能被`get_count`函数使用，即使`count`变量在整个程序的生命期中都有效，其他函数也无法使用它。

说完了静态局部变量后，大家肯定疑惑，既然它只在声明它的函数中使用，那它还有什么意义呢？直接使用普通局部变量不就行了，干嘛要用它？我们知道，普通局部变量在函数每次被调用的时候都会生成一个新的，调用结束后又将它释放，如果一个函数被频繁调用，这样性能岂不是很低？因为需要不停的生成新的局部变量，然后又释放掉，然后又生成新的……但是给局部变量加上了`static`修饰后，函数无论被调用多少次，都不会再生成新的局部变量，始终都是复用的同一个变量，这就大大减少了对内存的操作，提升了性能。

举个生活中的例子，如果你在公司楼下有一个固定的私人停车位，那么你每天上班只需要把车停在固定的地方就好，如果你没有私人停车位，那你每天到公司楼下，都需要四处去找一个空位子停车，岂不是很麻烦，效率又低，弄不好因为找停车位导致打卡迟到。

既然静态局部变量这么好，那是不是可以滥用呢？还是回到上面的例子，如果你是公司特聘人员，一个月只需要上两天班，那么你有必要在公司楼下买一个固定的私人停车位吗？显然是没有必要的，因此当函数不会被频繁调用时，不应当考虑使用静态局部变量。

最后需要特别注意，静态局部变量会一直保存上次的值，因为它一直都存在。基于这个特性，我们通常可以使用静态局部变量做计数器，如上例，每次调用`get_count`函数时，对静态局部变量`count`自增1，打印结果如下：

1
    2
    3
    4

**静态函数**  
`static`关键字除了可以修饰变量，还可以用来修饰函数。在C++、Java等面向对象的编程语言中，都存在类似于`private`的权限访问控制，而C语言中的`static`关键字，就类似这种`private`，被它修饰的函数只能在当前源文件中使用，在其他源文件中无法被访问。通常来说，C语言编写的大型的模块化工程中，不需要共享的函数都应该使用`static`关键字来修饰。

需要特别注意，由于C语言没有命名空间的概念，它只有一个全局作用域，当你的C程序十分庞大时，存在几百上千个函数时，很难保证函数不会同名。当然，通过严格的代码规范，命名规范，可以人为的保证函数不会同名，但我们可以保证自己写的函数不会同名，却无法保证引入的外部库的函数不会和我们的函数同名。一旦函数同名了，就会形成命名冲突，这就是为什么我们看一些C语言编写的开源库时，变量名、函数命名非常的复杂，名字很长，多个单词大写或以下划线分隔，这样怪异的命名很大程度上就是为了避免命名冲突。基于此，我们编写非公开、非共享的函数时，都应当使用`static`修饰，以此来避免一部分命名冲突问题。`static`修饰的函数，只在当前源文件中可见，在另一个源文件中声明一个同名的函数，就不会产生命名冲突。

示例  
编写`f1.c`源文件

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

编写`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;
    }

编译：`gcc f1.c main.c -o main`  
编译、运行正常

修改`f1.c`，添加`static`修饰

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

编译报错，在`main.c`源文件中无法使用静态函数`get_count`

### extern关键字 ###

在说明`extern`关键字前，先来看一个示例  
编写`t1.c`

// 全局变量
    int s_global=12;

编写`main.c`

#include <stdio.h>
    
    int main(){ 
        printf("s_global=%d\n",s_global);
        return 0;
    }

编译：`gcc t1.c main.c -o main`  
这样会直接报错： `error: 's_global' undeclared (first use in this function)`

这好像和我们前面说的有些不符，全局变量是在整个程序的生命期都有效的，在全局可访问的，但是现在却报错了。大家要注意前面的措辞，全局变量在**文件作用域**内可见，即从变量被声明的下一行，一直到当前文件的末尾，它都可以被直接使用。这里的关键就是**直接使用**，在`t1.c`源文件中是可以直接使用的，但是`main.c`中就无法直接使用了。

当全局变量离开了它的文件作用域后，无法直接使用，这时候我们需要另一个关键字`extern`来帮助我们使用它。

修改`main.c`

#include <stdio.h>
    // 写在函数外部，表示在当前文件中的任意地方都可以使用s_global
    // extern int s_global;
    
    int main(){ 
    	// 写在函数内部，仅在函数中使用
    	extern int s_global;
        printf("s_global=%d\n",s_global);
        return 0;
    }

再次编译成功，运行结果

s_global=12

在这里，`extern int s_global;`并不是重新声明变量的意思，它表示的是引用全局变量`s_global`，一定要注意，如果不存在一个全局变量`s_global`，是无法编译的，也就是说，使用`extern`来引用全局变量时，全局变量一定要存在。

`extern`主要是用来修饰变量的，当然也可以用来修饰函数，通常C语言中的函数都使用头文件包含的方式引入声明，但我们也可以使用`extern`修饰。实际上C语言中的函数声明默认都是包含`extern`的，无需手动指定。

//以下两种是等价的，无需手动指定extern关键字
    int get_count();
    extern int get_count();

**小拓展**  
有时候我们可能会看到`extern “C”`这样的声明，请注意，这不是C语言的语法，也不属于C语言。有些C++程序员，经常把`C`语言和`C++`语言搞混，实际上这是两种不同的语言，C++也并不是很多人说的那样，完全是C语言的超集，更准确的说法应该是，C++是一种独立的语言，它兼容C语言的绝大多数语法，但并不是百分百完全兼容。C++除了兼容的C语言的语法，另一部分就是它独立的内容。如果不能完全清楚这两种语言的边界，就会发生语法弄混的情况。

在C++中，当需要调用纯C语言编写的函数时，通常会使用`extern “C”`声明，表明这是纯C语言的内容。

## 模块化开发的补充 ##

### 头文件的嵌套包含 ###

所谓嵌套包含，就是指在一个头文件中，还可以使用`#include`预编译指令，包含其他的头文件。  
例如，我们编写一个头文件`bool.h`

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

在以上头文件中，我们使用宏定义了新类型`Bool`，接着编写`func.h`头文件

#include "bool.h"
    
    // 声明一个函数，返回值为Bool类型，值可以是False 或者True 
    Bool check();

### 头文件的保护 ###

**如果一个源文件将同一个头文件包含两次，那么就可能会产生编译错误**。因此，在C语言的模块化开发中，一定要避免将同一个头文件包含两次。但是，有时候这种包含不是明显的，而是一种隐式的包含，不易察觉，不知不觉就犯下了错误。

如下例，分别创建`h1.h`、`h2.h`、`h3.h`三个头文件  
`h1.h`内容

#include "h3.h"
    ……

`h2.h`内容

#include "h3.h"
    ……

可以看到，`h1.h`、`h2.h`两个头文件分别都包含了一个相同的`h3.h`头文件，那么如果在`main.c`中分别包含这两个头文件

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

这样一来，实际上就等同于在`main.c`中将`h3.h`头文件`include`了两次，显然违背了我们上面说的，不能在一个源文件中将同一个头文件包含两次的原则。因为所谓头文件包含，实际上就是将头文件中的声明复制到当前源文件中，那么上例中`h3.h`一定会被复制两次。

问题出来了，该如何解决呢？在复杂的大型工程中，头文件被重复包含的问题一定是避免不了的，这个时候就需要我们上一章讲的条件编译知识出来救场了。

修改`h3.h`文件

内容如下

// 如果没有定义过_H_H3_ 宏，则定义一个_H_H3_ 宏
    #ifndef _H_H3_
    #define _H_H3_
    
    // 声明的内容 ……
    
    #endif

改造头文件之后，再去源文件使用，就不会存在重复包含的问题了。

注意，这里使用`#ifndef`和`#endif`将整个头文件中的全部内容包裹起来，然后在`#ifndef`之后通过`#define`定义一个宏，这样一来，`#ifndef`和`#endif`之间的内容就只会被预编译一次，而不会重复包含。这种机制，被戏称为头文件卫士，或者称为头文件保护。如果对于这种写法不太理解，可以使用上一章介绍的`gcc -E`命令，生成预编译代码查看，即可明了。

最后，需特别注意的地方是宏的名字，这里是`_H_H3_`，使用头文件包含这种机制时，宏定义的名字一定要独特，避免重复，以免导致各种不可预知的问题。通常宏的名字要全部大写，并用下划线来分隔单词或缩写，在这个宏的名称中，最好包含当前头文件的文件名，例如`H3`。

在C语言中，我们以后自己编写头文件，建议在所有编写的头文件中都使用这种头文件保护机制，因为你不知道什么时候，你的这个头文件可能就会被重复包含，如上例，`h1.h`、`h2.h`、`h3.h`三个头文件都应当使用头文件保护机制。

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