C++生存期与作用域

作用域和可见性可以说是对一个问题的两种角度的思考。

　

“域”，就是范围；而“作用”，应理解为“起作用”，也可称为“有效”。所以作用域就是讲一个变量或函数在代码中起作用的范围，或者说，一个变量或函数的“有效范围”。打个比方，就像枪发出的子弹，有一定的射程，出了这个射程，就是出了子弹的“有效”范围,这颗子弹就失去了作用。

 

代码中的变量或函数，有的可以在整个程序中的所有范围内起作用，这称为“全局”的变量或函数。而有的只能在一定的范围内起作用，称为“局部”变量。

　

1.局部作用域

 “不能在同一作用范围内有同名变量”。因此，下面的代码是错误的：

...

int a;    //第一次定义a

int b;

b = 2*a;

int a;   //错误：又定义了一次a

...

　

那么，在什么情况下，变量属于不同的作用范围呢？我们这里说的是第一种：一对{}括起来的代码范围，属于一个局部作用域。如果这个局部作用域包含更小的子作用域，那么子作用域的具有较高的优先级。在一个局部作用域内，变量或函数从其声明或定义的位置开始，一直作用到该作用域结束为止。

　

例一：变量只在其作用域内有效

　

void func() { int a; a = 100; cout << a << endl; //输出a的值 } int main(int argc, char* argv[]) { cout << a << endl; // <-- 错误： 变量a未定义 return 0; }

 

　

　

说明：在函数 func()中，我们定义了变量a，但这个变量的“作用域”在 } 之前停止。所以，出了花括号以后，变量a就不存在了。请看图示：

　

结论：在局部作用域内定义的变量，其有效范围从它定义的行开始，一直到该局部作用域结束。

在局部作用域内定义的变量，称为“局部变量”。

　

上例中的局部作用域是一个函数。其它什么地方我们还能用到{}呢？很多，所有使用到复合语句的地方，比如：

　

//if 语句

if( i> j)

{

    int a;  

    ... ...

}

上面的a是一个局部变量，处在的if语句所带的那对 {} 之内。

　

//for 语句：

for(int i=0;i<100;i++)

{

   int a;

   ... ...

}

上面的a也是一个局部变量。处在for语句带的{}之内。

for 语句涉及局部作用域时，有一点需要特别注意：上面代码中，变量 i 的作用域是什么？

根据最新的 ANSI C++ 规定，在for的初始语句中声明的变量，其作用范围是从它定义的位置开始，一直到for所带语句的作用域结束。而原来老的标准是出了for语句仍然有效，直到for语句外层的局部作用域结束。请看对比：

假设有一for语句，它的外层是一个函数。新老标准规定的不同作用域对比如下：

 

 

如果按照旧标准，下面的代码将有错，但对新标准，则是正确的，这也证明了i的作用域只有for有效：

　

void func() { for(int i=0;i<9;i++) { cout << i << endl; } for(int i=9;i>0;i--) //<-- 在这一行，旧标准的编译器将报错，为什么? { cout << i << endl; } }

 

Borland C++ Builder 对新旧标准都可支持，只需通过工程中的编译设置来设置采用何种标准。默认总是采用新标准。记住：如果你在代码中偶尔有需要旧标准要求的效果，你只需把代码码写成这样：

int i;

for(i=0;i<9;i++)

{

   ...

}

这时候，i的作用域就将从其定义行开始，一直越过整个for语句。

　

其它还有不少能用到复合语句（一对{}所括起的语句组）的流程控制语句，如do..while等。请复习以前相关课程。

其实，就算没有流程控制语句，我们也可以根据需要，在代码中直接加上一对{}，人为地制造一个“局部作用域”。比如在某个函数中：

 

void func() { int a = 100; cout << a << endl; { int a = 200; cout << a << endl; } cout << a << endl; }

 

 

执行该函数，将有如下输出：100 200 100

 

 

你能理解吗？

 

　

 2.全局作用域 和 域操作符

　

如果一个变量声明或定义不在任何局部作用域之内，该变量称为全局变量。同样，一个函数声明不处于任何局部作用域内，则该函数是全局函数。

　

一个全局变量从它声明或定义的行起，将一起直接作用到源文件的结束。

　

请看下例：

//设有文件 Unit1.cpp,内定义一个全局变量：

　

int a = 100; void func() { cout << a << endl; }

 

 

 

　

输出：100

 

我们今天还要学习到一个新的操作符，域操作符 “::”。域操作符也称“名字空间操作符”，由于我们还没学到“名字空间”，所以这里重点在于它在全局作用域上的使用方法。

　

:: 域操作符，它要求编译器将其所修饰的变量或函数看成全局的。反过来说，当编译器遇到一个使用::修饰的变量或函数时，编译器仅从全局的范围内查找该变量的定义。

　

下面讲到作用域的嵌套时，你可以进一步理解全局作用域如何起作用，同时，下例也是我们实例演示如何使用域作用符::的好地方。

　

 3. 生存期

一个变量为什么有会不同的作用域？其中一种最常见的原因就是它有一定的生存期。什么叫生存期？就像人一样，在活着的时候，可以“起作用”，死了以后，就不存在了，一了百了。

那么，在什么情况下一个变量是“活”着，又在什么情况下它是“死”了，或“不存在”了呢？

大家知道，变量是要占用内存的。比哪一个int类型的变量占用4个字节的内存，或一个char类型的变量占用1个字节的内存。如果这个变量还占用着内存，那么我们就认为它是“活着”，即，它存在着。而一个变量释放了它所占用的内存，我们就认为它“死了”，“不存在”了。

　

 4. 程序的内存分区

　

先从程序上看“生”和“死”。

用CB编译出一个可执行文件(.exe)，它被存放在磁盘上。当它没有运行时，我们认为它是“死”的。而当我们双击它，让它“跑”起来时，我们认为它是“活”的，有了“生命”。等我们关闭它，或它自行运行结束，它又回到了“死”的状态下。在这个过程里。

程序运行时，它会从操作系统那里分得一块内存。然后程序就会把这些内存（严格讲是内存的地址）进行划分，哪里到哪里用来作什么。这有点像我们从老板那里领来2000大洋，其中1000无要交月租，500元做生活费……真惨。

那么，程序有哪些需要入占用内存呢？

首先，代码需要一个空间来存放。因此，到手的内存首先要分出一块放代码的地方，称为代码区。剩下的是数据。根据不同需要，存放数据有区域有三种：数据区，栈区，堆区。为什么存放数据的内存需要分成三个区域？这个我先不说，先来说说数据（变量等）被放入不同的区内，将遇上什么样不同的命运。

　

第一、放入数据区的数据。

生存期：这些数据的命运最好。它们拥有和程序一样长的生存期。程序运行时，它们就被分配了内存，然后就死死占着，直到程序结束。

谁负责生死：这些数据如何产生，如何释放，都是程序自动完成的，我们程序员不用去费心为产生或释放这些变量写代码。

占用内存的大小：这些数据都必须有已知，且固定的大小，比如一个int变量，大小是4个字节，一个char类型，大小是1个字节。为什么必须这样？因为如果这个数据可以占用的大小是未定的，那么，程序就不可能为自动分配内存。

初始化：就是这个变量最开始的值是什么？放在数据区里的数据，可以是程序员用代码初始化，比如：

int a = 100;

这样，a的值按你意思去办，并初始化为100；但如果你没有写初始的代码，如：

int a;

那么，数据区内的数据将被初始化为全是0。

　

第二、放入堆区的数据。

生存期：堆内的数据什么时候“生（分配内存）”，什么时候“死（释放内存）”，由程序员决定。

谁负责生死：当然就是程序员了。C++里，有专门的函数或操作符来为堆里的变量分配或释放内存。程序员通过写这些代码来在需要时，让某个堆里的变量“生”，不需要时，让它“死”。

占用内存的大小：堆里的数据占用的内存可以是固定的，也可以是可变的。这就是C,C++里最强大也最难学的内容：“指针”所要做事。

初始化：由程序员完成。如果程序员不给它初始值，则它的值是未定的。

　

由于程序员掌握着堆区内的数据的“生死大权”，并且决定着该数据占用多少内存。所以在写程序时，必须特别注意这些数据。一不小心就会出错。比如一个数据还没有分配内存呢，你就要使用它，就会出错。更常见的是，一个数据，你为它分配了内存，可是却始终没有为替它释放内存，那样就会造成“内存泄漏”。就算你的程序都退出了，这个数据依然可能“阴魂不散”地占用着内存。

 

第三、放入栈区的数据。

生存期：对比前面的两种，数据区里数据具有永久的生存期，而堆里的数据的生存期算是“临时”的。需要了，程序员写代码产生；不需要了，又由程序员写代码释放。在程序员，临时才需要变量非常多，如果每个变量都由程序员来负责产生、释放，那程序员岂不很累？并且很危险（万一忘了释放哪个大块头的家伙....)。所以，必须有一种机制可以让程序自已来产生和释放某些临时变量。所以，放入堆区的数据是只有程序员才能决定的何时需要，何时不需的临时数据，而栈区数据则是编译器就能决定是否需要的临时数据。 当然，要想让编译器能知道数据什么时候需要，什么时候不需要，就必须做一种约定。这正是我们现在讲的“生存期”的语法内容。

谁负责生死：程序（和数据区的一样）。

占用内存的大小：固定大小（和数据区的一样）。

初始化：由程序员完成。如果程序员不给它初始值，则它的值是未定的(和堆区的一样)。

　

下面是三个区加上代码区的分布示意图：

 

　

现在，我们也比较好回答前面的问题：“为什么存放数据的内存需要分成三个区域”?原因正在于程序所要用到的数据具有不同的生存期要求，所以编译器把它们分别放到不同空间，好方便实现要求。

　

生存期和作用域的关系是：如果一个变量已经没有了生存期，那么自然它也就没了有作用域。但反过来，如果一个变量出了它的作用域，它并不一定就失去了生存期。典型的如函数内的静态数据，下面会讲到。

　

5. 动态生存期

　

就是放在“堆区”的数据。这些数据是在程序运行到某一处时，由程序员写的代码动态产生；后面又由程序员写的代码进行释放。

　

6. 局部生存期

　

这里的局部和前面讲“局部作用域”一致，都是指“一对{}括起来的代码范围”。

请看下面代码，并思考问题：

　 //从前，有一个函数…… void func() { //函数内，有一个局部变量…… int a; cout << a << endl; a = 100;

 

　

//看清楚了，上面输出 a 的值的语句， 位于给a赋值之前！

//然后，下面的代码是两次调用这个函数：

...

func();

func();

...

第一次调用，我们知道屏幕肯定是要输出一个莫名其妙的数，因未初始化的局部变量，其值是不定的。我们以前讲变量时，就做过实例。现在，这里的变量a被输出后，我们让赋于它100。再接下来，我们又调用了一次函数func();请问这回输出的值，是100呢？或者仍然是莫名其妙的数？

　　

　

 

7.静态生存期

　

就是放在“数据区”里的数据。程序一运行时，它们就开始存在；程序结束后，它们自动消亡。

这里讲的“静态”，和前面的“静态存储类型”不是一个意思。（老师，我忘了什么叫“静态存储类型”？呵，这有可能，本章的内容互相都有些关联和相似，大家多看几遍本章，最主要是课程让你动手的地儿，你就动手做，正所谓“该出手时就出手手……”）。

“静态存储类型”是指：一个全局变量，它被加上static之后，就只能在本文件内使用，别的文件不能通过加extern的声明来使用它。

“静态生存期“是指：一个变量，它仅仅产生和消亡一次（即在程序运行时产生，在程序退时消亡），而不像“动态生存期”或“局部生存期”那样可以生生死死，不断“投胎转世”。

　

下面的代码演示了“静态生存期”和“局部生存期”变量的不同。请你看完以后，回答问题。

　

#include

　

//定义，声明一个全局变量：

int a;

　

//声明一个函数,定义在后面

void func(); int main(int argc, char* argv[ { int b = 100; a = 10; cout << a << end; cout << b << end; //调用函数func： func(); } //func()的定义： void func() { cout << a << endl; cout << b << endl; }

 

 

 

　

哪里有错呢？请大家想想，试试。

　

8.局部静态变量

//从前，有一个函数…… void func() { //函数内，有一个局部变量…… int a; cout << a << endl; a = 100; } //调用两次： func(); func();

 

 

 

　

同样是这个例子，我们只是要把 int a 之前加上一个 static 关键字：

void func() { //函数内，有一个局部静态变量…… static int a; cout << a << endl; a = 100; } ... func(); func(); ...

 

 

 

　

我们要问的也是同样一个问题：第二次调用 func()后，输出的 a 值是多少？

这回答案是：输出的值是100。

这就是局部静态变量的特殊之处：尽管出了函数的作用域之后，变量已经不可见，并且也失去了作用。但是，它仍然存在着！并且保留着它最后的值。因此，它也是静态生存期。它也只在程序结束之后，才失去生存期。

上面讲的是局部静态变量“死”的问题，它也只“死”一次，对应地，显然它也只能“生”一次。