【C】Storage Class

什么是Storage Class

Storage Class翻译成中文为存储类(总感觉翻译成汉语不太好),用来修饰C中变量和函数。如果没有显式的指定storage class,会使用默认值。它的作用主要以下几点:

  • 决定变量存储的位置。每个变量都需要一定的空间来存储,经常用到的存储单元就是内存,除了内存之外,CPU中的寄存器也可以存储变量,而且一般来说寄存器的访问速度要远远大于内存的访问速度。
  • 决定变量的生命周期。
  • 决定变量的可见级别。
  • 决定变量是否初始化。

Storage Class 说明符(Specifiers)

下面列出了5中Storage Class的说明符,但是只有前四种是真正意义上的说明符,typedef只是为了语义上的方便,才将其称为一个storage class的说明符。

  • auto
  • register
  • static
  • extern
  • typedef

需要注意的是我们在一个声明中,我们至多使用一个storage class的说明符。如果没有显示使用说明符,则会使用以下的默认规则:

  1. 函数内部声明的变量默认使用 auto 说明符
  2. 函数内部声明的函数默认使用 extern 说明符
  3. 函数外部声明的变量和函数默认使用static说明符,并且具有外部链接(external linkage)

具有外部链接的变量和函数可以作用于程序中的所有文件,单纯使用static的变量和函数具有文件作用域(File Scope),它们只有内部链接(internal linkage),只能作用于当前文件。局部变量没有链接,它们只作用于定义的代码块。

Storage Class 类别(Type)

根据上面所说,在C中一共有四类storage class:

  1. Automatic Storage Class
  2. Register Storage Class
  3. Static Storage Class
  4. External Storage Class

下面是详细介绍

Auto Storage Class

在代码块或者函数中,使用auto声明的变量属于automatic storage class,如果没有显示调用storage class说明符,那么auto就是其默认值。auto storage class的变量属于局部变量,只在其定义的代码块或者函数中起作用,当离开代码块或者函数执行完毕之后就会被销毁(destroyed)。下面是一个示例:

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#include <stdio.h>
int main( )
{
auto int i = 1;
{
auto int i = 2;
{
auto int i = 3;
printf ( "\n%d ", i);
}
printf ( "%d ", i);
}
printf( "%d\n", i);
}

输出结果为:3 2 1
在上面的代码中我们定义3个相同名称的变量i,并且成功执行。这是因为这三个变量的作用域不同,并且8-11行代码块中的i覆盖了6-13行中对于i的定义(类似于局部变量覆盖全局变量),即程序执行时会先在当前代码块的作用域中查找相应变量,如果找不到再去其属于的更大范围的代码块查找,直至找到或者报错。需要注意的地方是automatic storage class变量并不会被初始化,在使用之前要手动为其赋初值,否则程序可能会出现意想不到的结果。

Register Storage Class

使用register声明的变量属于Register Storage Class。Register Storage Class类型的变量可以看作是一种特殊形式的automatic变量,Automatic变量是在内存中分配存储空间的,但是对于大多数的电脑来说,数据的访问速度要小于CPU的计算速度,因此CPU会有一定的空间来缓存少量的数据,以加快访问数据的速度,CPU的这些存储单元就叫做寄存器(Register)。
  一般来说编译器会决定何时将数据存储到CPU的寄存器中。不过C同时提供了一种方式建议编译器将变量放到寄存器中,这种方式就是register storage class,之所以说建议是因为编译器并不一定会将register变量放入到寄存器中,这个和具体的实现以及寄存器的空间大小有关系,但是大多数情况中只要显示调用了register说明符,编译器就会在寄存器上为其分配空间。同时,并不是所有类型的变量都可以放到编译器中,这个也和具体的编译器实现有关。
  同时需要注意的是,register变量不能使用取地址符’&’,因为按照标准它是存储在寄存器中的,并没有内存的地址,所以下面的代码是编译不过的

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#include <stdio.h>
int main()
{
register int i = 1;
int *p = &i; //error: address of register variable requested
printf("Value of i: %d\n", *p);
}

register变量同样没有初始值。另外需要说明的是并不是使用了register变量就一定会比使用automatic变量快,比如你定义了很多的register的变量,导致寄存器的空间不够使用,那么为了使其他register变量可以正常使用,就不得不将一些寄存器的值交换到内存中,而这个交换过程往往会浪费大量的时间。同时,自定义register变量的使用可能会影响编译器对于寄存器使用的默认行为,例如存储表达式求值的临时值。所以应该慎重使用register变量。

Static Storage Class

static用来声明static storage class的变量。static可以修饰局部变量或者全局变量,当修饰局部变量时,static并不改变该变量的作用域,但是会一直保存该局部变量的值,直至程序结束。当修饰全局变量或者函数时,static会限定该变量的作用域为当前文件(具有内部链接),其他文件并不能使用该变量或者函数。下面是一个示例:

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#include <stdio.h>
static int gInt = 1;
static void staticDemo()
{
static int i;
printf("%d ", i);
i++;
printf("%d\n", gInt);
gInt++;
}
int main()
{
staticDemo();
staticDemo();
}

输出结果为:
0 1
1 2
当第一次调用staticDemo时,会首先初始化static变量,如果手动设置了初始值,那么就将其值设为指定的值,否则初始为0,程序打印出0和1,但是当执行完staticDemo时,变量i并没有别销毁。当第二次调用staticDemo时,即便执行到第5行代码,编译器也不会重新初始化i了,而是使用已经创建的i变量。因此可以总结两点:(1)static变量初始值为0(2)在其生命周期中只会被初始化一次

External Storage Class

extern用来声明external storage class的变量,它的作用是:告诉编译器这个变量或者函数已经在其他地方定义过了,这里无需再定义了,直接使用即可。下面简单说明一下声明(declaration)和定义(definition)的区别:声明是告诉编译器变量或者函数的一些基本信息,而定义是为这些变量或者函数分配存储空间(详细的的可以看上一篇文章),同一个名称的变量或者函数可以声明很多次,但是只能定义一次。
  对于全局变量或者函数来说,如果不加static说明符,那么变量或者函数就可以被程序中的所有文件使用,而extern就是实现这一功能的关键。如果想在文件A中使用文件B中的变量i,那么就需要在A中使用extern声明i,下面是一个例子:

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A.c
#include <stdio.h>
extern int i;
int main() {
printf("the i is %d\n", i);
}
B.c
int i = 5;

注意使用extern只是声明一个变量,并没有为其分配存储空间,所以extern int i = 5的写法是错误的,如果不加extern,那么就是对于i的定义。external变量也是会初始化的,其初始值为0。
对于函数声明(不是定义)来说,其默认storage class说明符就是extern,即void a();extern void a();是等同的。

参考文章


C Storage Classes and Storage Class Specifiers
Storage Class and Scope