深入探討C語言中局部變數與全域變數在記憶體中的存放位置

C語言中局部變數和全域變數變數的儲存類別(static,extern,auto,register)

1.局部變數和全域變數
在討論函數的形參變數時曾經提到，形參變數只在被調用期間才分配記憶體單元，調用結束立即釋放。這一點表明形參變數只有在函數內才是有效，離開該函數就不能再使用了。這種變數有效性的範圍稱變數的範圍。不僅對於形參變數，Ｃ語言中所有的量都有自己的範圍。變數說明的方式不同，其範圍也不同。Ｃ語言中的變數，按範圍範圍可分為兩種，即局部變數和全域變數。
1.1局部變數
局部變數也稱為內部變數。局部變數是在函數內作定義說明的。其範圍僅限於函數內，離開該函數後再使用這種變數是非法的。
【例1.1】複製代碼 代碼如下: int f1(int a) /*函數f1*/
{
int b,c;
}
a,b,c有效
int f2(int x) /*函數f2*/
{
int y,z;
}
x,y,z有效
int main(void)
{
int m,n;
}
m,n有效

在函數f1內定義了三個變數，a為形參，b,c為一般變數。在 f1的範圍內a,b,c有效，或者說a,b,c變數的範圍限於f1內。同理，x,y,z的範圍限於f2內。m,n的範圍限於main函數內。關於局部變數的範圍還要說明以下幾點：
1)主函數中定義的變數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數。因為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)形參變數是屬於被調函數的局部變數，實參變數是屬於主調函數的局部變數。
3)允許在不同的函數中使用相同的變數名，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。如在前例中，形參和實參的變數名都為n，是完全允許的。
4)在複合陳述式中也可定義變數，其範圍只在複合陳述式範圍內。
【例1.2】複製代碼 代碼如下:int main(void)
{
int s,a;
{
int b;
s=a+b;
/*b範圍*/
}
/*s,a範圍*/
}

【例1.3】複製代碼 代碼如下:int main(void)
{
int i=2,j=3,k;
k=i+j;
{
int k=8;
printf("%d\n",k);
}
printf("%d\n",k);
}

本程式在main中定義了i,j,k三個變數，其中k未賦初值。而在複合陳述式內又定義了一個變數k，並賦初值為8。應該注意這兩個k不是同一個變數。在複合陳述式外由main定義的k起作用，而在複合陳述式內則由在複合陳述式內定義的k起作用。因此程式第4行的k為main所定義，其值應為5。第7行輸出k值，該行在複合陳述式內，由複合陳述式內定義的k起作用，其初值為8，故輸出值為8，第9行輸出i，k值。i是在整個程式中有效，第7行對i賦值為3，故以輸出也為3。而第9行已在複合陳述式之外，輸出的k應為main所定義的k，此k值由第4行已獲得為5，故輸出也為5。

1.2全域變數
全域變數也稱為外部變數，它是在函數外部定義的變數。它不屬於哪一個函數，它屬於一個來源程式檔案。其範圍是整個來源程式。在函數中使用全域變數，一般應作全域變數說明。只有在函數內經過說明的全域變數才能使用。全域變數的說明符為extern。但在一個函數之前定義的全域變數，在該函數內使用可不再加以說明。
【例1.4】複製代碼 代碼如下: int a,b; /*外部變數*/
void f1() /*函數f1*/
{
……
}
float x,y; /*外部變數*/
int fz() /*函數fz*/
{
……
}
Int main(void) /*主函數*/
{
……
}

從上例可以看出a、b、x、y都是在函數外部定義的外部變數，都是全域變數。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定義在來源程式最前面，因此在f1,f2及main內不加說明也可使用。
【例1.5】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。複製代碼 代碼如下: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;
}
int main(void)
{
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("\nv=%d,s1=%d,s2=%d,s3=%d\n",v,s1,s2,s3);
}

【例1.6】外部變數與局部變數同名。複製代碼 代碼如下:int a=3,b=5; /*a,b為外部變數*/
max(int a,int b) /*a,b為外部變數*/
{
int c;
c=a>b?a:b;
return(c);
}
int main(void)
{
int a=8;
printf("%d\n",max(a,b));
}

如果同一個源檔案中，外部變數與局部變數同名，則在局部變數的作用範圍內，外部變數被“屏蔽”，即它不起作用。

2.變數的儲存類別
2.1動態儲存裝置方式與靜態動態儲存裝置方式
前面已經介紹了，從變數的範圍（即從空間）角度來分，可以分為全域變數和局部變數。
從另一個角度，從變數值存在的作時間（即生存期）角度來分，可以分為靜態儲存方式和動態儲存裝置方式。
靜態儲存方式：是指在程式運行期間分配固定的儲存空間的方式。
動態儲存裝置方式：是在程式運行期間根據需要進行動態分配儲存空間的方式。
使用者儲存空間可以分為三個部分：
1)程式區；
2)靜態儲存區；
3)動態儲存裝置區；
全域變數全部存放在靜態儲存區，在程式開始執行時給全域變數分配儲存區，程式行完畢就釋放。在程式執行過程中它們佔據固定的儲存單元，而不動態地進行分配和釋放；
動態儲存裝置區存放以下資料：
1)函數形式參數；
2)自動變數（未加static聲明的局部變數）；
3) 函數調用實的現場保護和返回地址；
對以上這些資料，在函數開始調用時分配動態儲存裝置空間，函數結束時釋放這些空間。
在c語言中，每個變數和函數有兩個屬性：資料類型和資料的儲存類別。

2.2auto變數
函數中的局部變數，如不專門聲明為static儲存類別，都是動態地分配儲存空間的，資料存放區在動態儲存裝置區中。函數中的形參和在函數中定義的變數（包括在複合陳述式中定義的變數），都屬此類，在調用該函數時系統會給它們分配儲存空間，在函數調用結束時就自動釋放這些儲存空間。這類局部變數稱為自動變數。自動變數用關鍵字auto作儲存類別的聲明。
【例1.7】複製代碼 代碼如下:int f(int a) /*定義f函數，a為參數*/
{
auto int b,c=3; /*定義b，c自動變數*/
}

a是形參，b，c是自動變數，對c賦初值3。執行完f函數後，自動釋放a，b，c所佔的儲存單元。
關鍵字auto可以省略，auto不寫則隱含定為“自動儲存類別”，屬於動態儲存裝置方式。

2.3用static聲明局部變數
有時希望函數中的局部變數的值在函數調用結束後不消失而保留原值，這時就應該指定局部變數為“靜態局部變數”，用關鍵字static進行聲明。
【例1.8】考察靜態局部變數的值。複製代碼 代碼如下:f(int a)
{
auto b=0;
static c=3;
b=b+1;
c=c+1;
return(a+b+c);
}
int main(void)
{
int a=2,i;
for(i=0;i<3;i++)
printf("%d",f(a));
}

對靜態局部變數的說明：
1)靜態局部變數屬於靜態儲存類別，在靜態儲存區內分配儲存單元。在程式整個運行期間都不釋放。而自動變數（即動態局部變數）屬於動態儲存裝置類別，占動態儲存裝置空間，函數調用結束後即釋放。
2)靜態局部變數在編譯時間賦初值，即只賦初值一次；而對自動變數賦初值是在函數調用時進行，每調用一次函數重新給一次初值，相當於執行一次指派陳述式。
3)如果在定義局部變數時不賦初值的話，則對靜態局部變數來說，編譯時間自動賦初值0（對數值型變數）或Null 字元（對字元變數）。而對自動變數來說，如果不賦初值則它的值是一個不確定的值。
【例1.9】列印1到5的階乘值。複製代碼 代碼如下:int fac(int n)
{
static int f=1;
f=f*n;
return(f);
}
int main(void)
{
int i;
for(i=1;i<=5;i++)
printf("%d!=%d\n",i,fac(i));
}

2.4register變數
為了提高效率，C語言允許將局部變數得值放在CPU中的寄存器中，這種變數叫“寄存器變數”，用關鍵字register作聲明。
【例2.0】使用寄存器變數。複製代碼 代碼如下:int fac(int n)
{
register int i,f=1;
for(i=1;i<=n;i++)
f=f*I;
return(f);
}
int main(void)
{
int i;
for(i=0;i<=5;i++)
printf("%d!=%d\n",i,fac(i));
}

說明：
1) 只有局部自動變數和形式參數可以作為寄存器變數；
2)一個電腦系統中的寄存器數目有限，不能定義任意多個寄存器變數；
3)局部靜態變數不能定義為寄存器變數。

2.5用extern聲明外部變數
外部變數（即全域變數）是在函數的外部定義的，它的範圍為從變數定義處開始，到本程式檔案的末尾。如果外部變數不在檔案的開頭定義，其有效作用範圍只限於定義處到檔案終了。如果在定義點之前的函數想引用該外部變數，則應該在引用之前用關鍵字extern對該變數作“外部變數聲明”。表示該變數是一個已經定義的外部變數。有了此聲明，就可以從“聲明”處起，合法地使用該外部變數。
【例2.1】用extern聲明外部變數，擴充程式檔案中的範圍。複製代碼 代碼如下:int max(int x,int y)
{
int z;
z=x>y?x:y;
return(z);
}
int main(void)
{
extern A,B;
printf("%d\n",max(A,B));
}
int A=13,B=-8;

說明：在本程式檔案的最後1行定義了外部變數A，B，但由於外部變數定義的位置在函數main之後，因此本來在main函數中不能引用外部變數A，B。現在我們在main函數中用extern對A和B進行“外部變數聲明”，就可以從“聲明”處起，合法地使用該外部變數A和B。