C語言變數的儲存類

2022/06/22閱讀時間約 12 分鐘

● auto(自動)
● register(暫存器)
● static(靜態)
● extern(外部)

定義

以作用範圍(scope)、儲存時期(life time)、連結(linkage)的不同作為區別。

●作用範圍：分為區域變數(只能作用於其函數內)、全域變數(作用於不同文件中)

接著我們來看看以下兩種程式碼哪個是可執行的。

#include "stdio.h"

void text(){
　　printf("%d\n",a);
}

int main(void){
　　int a = 0；
　　text();
}
--------------------------------結果---------------------------------
’a’ was not declared in this scope

沒錯，這段程式碼是無法執行的，它會跑出一條’a’ was not declared in this scope的訊息，也就是a變數不存在於該區塊中。為什麼呢？我們可以發現，a的定義是在main這個主函數裡面，它是無法作用在其他函數內的，相反的我們在也可以發現，a也只會作用在main裡面，這就是所謂的區域變數。

#include "stdio.h"
int a = 1;
int main(void){
　　printf("%d\n",a);
}
--------------------------------結果---------------------------------
1

而這段程式碼中，a是定義在任何函數外，就結果來說，我們可以正常看到它輸出了1。因此a的定義為全域變數，也就是在它定義開始一直到文件的最後一行，任何函式都可以使用a這個變數。

那如果，同時使用呢？

#include "stdio.h"

int a = 1;

int main(void){
　　int a = 2;
　　printf("%d\n",a);
}
--------------------------------結果---------------------------------
2

結果很明顯，輸出的會是2。由這點可知，局部變數在該函數中，作用的優先會大於全局變數，因此main函式中，a的變數會對應到函數內部，定義為2的a。

●存儲時期(life time)：分為靜態存儲(直到整個程式結束前，該變數的值會持續保留，不受二次定義賦值影響)以及自動存儲(一旦該函式結束後，其變數就會消失)兩種。

一樣來看看這兩種的差別吧!

#include "stdio.h"

void text(){
　　int a = 0;
　　a++;
　　printf("%d\n",a);
}

int main(void){
　　text();
　　text();
　　text();
}
--------------------------------結果---------------------------------
1
1
1

結果輸出了不同行的三個1，這是為什麼呢？當main函數跑第一個text()的時候，text內部會創建一個a，並賦值0給a。接著第六行會讓a的值再加上1，也就是0+1=1。最後輸出a的值，並結束這個函數，同時刪掉a這個變數，注意喔！當函數結束後，裡面所有的變數都是會刪除的。因此，我們可以理解到，main使用text函式的三次中，a都會初始定義並賦值為0，所以這也是為什麼輸出的結果都是相同的，而這就是所謂的自動存儲。

#include "stdio.h"

void text(){
　　static int a = 0;
　　a++;
　　printf("%d\n",a);
}

int main(void){
　　text();
　　text();
　　text();
}
--------------------------------結果---------------------------------
1
2
3

而這一次的執行可以得到不同行的1、2、3，為什麼加上static之後，就會這樣呢？當main在跑text第一次的時候，流程都跟前面講左方程式碼時一樣，但在最後輸出a的值之後，結束函數的同時並不會刪除掉a的值。並且在第二次跑text函數時，第五行不會重新賦值0給a，a變數仍舊保持著上一次結果的值，也就是1。因此在這次的text中，它會再次加1並輸出。最後我們可以理解到，函數在結束後，不會刪除掉有static描述的變數，並保持其值，而這就是所謂的靜態存儲。

●連結(linkage)：分為空連結(只能於函數內使用，區域變數)、內部連結(可於定義並賦值位置一直到文件最後一行都可使用，類似全域變數)以及外部連結(可跨文件做使用)

讓我們測驗看看外部連結吧~

(text.c)
int b = 10;
(main.c)
#include "stdio.h"
int main(void){
　　extern int b;
　　printf("%d",b);
}
--------------------------------結果---------------------------------
10

當我在text.c檔案中定義一個變數b，只要在另外一個文件main.c當中，在定義類型前面再加一個extern修飾，就能跨文件使用變數了。在main.c執行後，即可成功輸出10。而這種方法，就是所謂的外部連結。

但要特別注意的是，外部連結必須是在同個資料夾，否則無法透過外部連結使用喔。

儲存類

●auto(自動)

auto擁有自動存儲、區域變數、空連結的特性，簡單來說就是auto只能修飾在函數內的變數，只能在函數內使用，且函數執行結束後就會消失。事實上，任何在函數內定義的變數，只要沒有特別修飾，直接定義類型、名稱及值後，就會自動修飾為auto。簡單來說就是auto在修飾上面，其實沒有特別用處。

#include "stdio.h"
int main(void){
　　auto int b = 0;
　　printf("%d",b);
}
--------------------------------結果---------------------------------
0

另外auto還有一個作用是，自動定義變數的類型，如下。

#include "stdio.h"

int main(void){
　　auto b = 0;
　　printf("%d",b);
}
--------------------------------結果---------------------------------
0

如果使用auto當定義類型時，它會自動幫b搜尋它適合的類型，也就是int。但如果沒有特別指定值的時候，變數則會默認為int。

●register(暫存器)

register擁有自動存儲、區域變數、空連結的特性，一樣是只能修飾在函數內的變數，它的特點在於，經過register修飾的變數，會存放在暫存器當中，而不是平常的記憶體內。因此它的執行速度會大幅提升，如下圖採用CR Ferreira的時間計算程式碼，計算有無register修飾的時間差。

#include "stdio.h"
#include "sys/time.h"
int main(void){
　　double sum = 0;
　　double add = 1;
　　struct timeval begin, end;
　　gettimeofday(&begin, 0);
　　register int a,i;//暫存器變數
　　for (i=0; i<1000000000; i++){//主要執行內容
　　　　a++;
　　}
　　gettimeofday(&end, 0);
　　long seconds = end.tv_sec - begin.tv_sec;
　　long microseconds = end.tv_usec - begin.tv_usec;
　　double elapsed = seconds + microseconds*1e-6;
　　printf("Time measured: %.3f seconds.\n", elapsed);
　　return 0;
}
--------------------------------結果---------------------------------
Time measured: 0.681 seconds.
-------------------------------分隔線--------------------------------
#include "stdio.h"
#include "sys/time.h"

int main(void){
　　double sum = 0;
　　double add = 1;
　　struct timeval begin, end;

　　gettimeofday(&begin, 0);
　　int a,i;//一般變數

　　for (i=0; i<1000000000; i++){//主要執行內容
　　a++;
　　}

　　gettimeofday(&end, 0);
　　long seconds = end.tv_sec - begin.tv_sec;
　　long microseconds = end.tv_usec - begin.tv_usec;
　　double elapsed = seconds + microseconds*1e-6;
　　printf("Time measured: %.3f seconds.\n", elapsed);
　　return 0;
}
--------------------------------結果---------------------------------
Time measured: 2.215 seconds.

可以清楚看出，有register修飾的文件，執行速度大幅領先無修飾的文件。

●static(靜態)

static擁有靜態區域變數、靜態全域變數兩種方式。前者只能在函數內修飾，並擁有靜態存儲、區域變數、空連結的特性。後者只能在函數外修飾，擁有靜態存儲、全域變數、內部連結的特性。

#include "stdio.h"
static int i;//靜態全域變數
void text(){
　　static int j;//靜態區域變數
}

靜態區域變數的特性，在前面有說過，能夠在整個程式執行結束前，一直保有其值不會消失。這時候你可能會想，全域變數本來就是到程式執行結束才會消失，那還有必要寫static來修飾嗎？

確實，是如此沒錯，但全域變數跟靜態全域變數的最大差別在於連結性。一般沒做修飾的全域變數是可以跨文件利用extern做連結的，但經過static修飾的變數，則是無法跨文件取得，也就是內部連結，僅供該文件使用。

(text.c)
static int i = 5;
(main.c)
#include "stdio.h"
extern int i;
int main(void){
　　printf("%d",i);
}
--------------------------------結果---------------------------------

當在main.c執行後，就無法取得i這個變數，也因此無法取得i的值，這就是static的內部連結性質。