零基础学C语言——作用域

这是一个C语言系列文章，如果是初学者的话，建议先行阅读之前的文章。笔者也会按照章节顺序发布。

在数学中，变量x一般都有其值域，也就是x都可以有哪些值，或者说在什么数值范围内x是有效的。同理，C语言中，每个变量或者函数都有其作用域，也就是在什么范围内这个变量或函数有效（可被编译器找到）。

对于变量，根据作用域的不同被分为两大类——局部变量和全局变量。

局部变量

所谓的局部变量是指在函数体中定义的变量，这些变量的作用域就是函数内部，即函数返回后，这些变量将被销毁。这类变量我们一般称作自动变量。

自动变量的定义形式我们在变量一文中介绍过：

数据类型 变量名;

或

数据类型 变量名 = 初始值;

还有一种自动变量——函数参数，函数参数也是仅在函数内有效的。

此外，C语言还提供了一种作用域在函数内，但函数返回后不会销毁的变量——静态变量。

静态变量是指在函数体中，用如下形式定义的变量：

static 数据类型 变量名;

或

static 数据类型 变量名 = 初始值;

静态变量与自动变量的区别是：每次函数调用时，函数内的自动变量所占用的内存都会被重新分配，其值也会按照语句重新赋值。而静态变量不同，如果使用定义同时初始化形式定义静态变量，则静态变量仅会被初始化一次。并且每次函数调用时静态变量的值都是沿用上一次调用改变后的值，而不会被重置。

举个例子：

#include <stdio.h>

void foo(void)
{
  static int a = 1;
  ++a;
  printf("%d\n", a);
}
int main(void)
{
  foo();
  foo();
  return 0;
}

这个例子的输出是：

2
3

原因是，第一次进入foo时，静态变量a被初始化为1，然后自加变为2，所以printf打印的结果是2（第一行）。随后函数返回main，之后再次调用foo函数。这次foo中a不再被重新赋值为1，而是依旧保持上次被修改后的结果，即2。然后再自加变为3，最后打印其值3（第二行）。

下面看一个初学者常犯的错误：

int *return_array(void)
{
  int array[2] = {1, 2};
  return array;
}

int main(void)
{
  int *ret = return_array();
  return 0;
}

这是一个典型的错误用法。我们说过，函数内的自动变量的作用域仅限于函数内，当函数返回时，自动变量会被销毁。因此，main中ret指向的数组，其内容将是不可预知的内容，访问其内容可能会导致程序崩溃。

想要正常返回一个数组，利用静态变量是一种解决方案。除此之外，还有一种动态分配内存的方案，将在后续内存管理相关的文章中说明。

全局变量

全局变量是指变量定义于任何函数体之外，且作用域是整个程序范围内的变量。这类变量又分为两类——普通全局变量和静态全局变量。

普通全局变量定义形式如下：

数据类型 变量名;

或

数据类型 变量名 = 初始值;

而静态全局变量的定义形式为：

static 数据类型 变量名;

或

static 数据类型 变量名 = 初始值;

与局部变量中自动变量和静态变量的定义一样，但是含义完全不同的。

静态全局变量与普通全局变量的不同在于作用域范围。普通全局变量是作用于整个程序范围内的，而静态全局变量的作用域则是当前的源文件。

举例：

/*a.c*/
int a = 10;
static int b = 100;

int main(void)
{
  foo();
}

/*b.c*/
#include <stdio.h>

void foo(void)
{
  printf("a:%d\n", a);
  printf("b:%d\n", b);//这句是无法通过编译的
}

如果按照上面代码创建两个源文件并编译，是无法生成可执行程序的，且会报错。

原因有二：

1.正如我注释所写，b是a.c中的静态全局变量，作用域仅在a.c，因此b.c无法访问。

2.全局变量a虽然不是静态全局变量，但在b.c中缺少声明，因此无法使用。

下面我们重写b.c，修正这两个问题：

/* b.c */
#include <stdio.h>

extern int a;

void foo(void)
{
  printf("a:%d\n", a);
}

这里，去掉了b的打印，同时增加了全局变量a的声明。

注意，这个全局变量的声明使用了extern关键字。extern关键字用于告知编译器，用其声明的变量或者函数是全局作用域的，需要从可执行程序涉及到的全部源文件中寻找。

同名覆盖

不知是否有读者想过，如果全局变量和局部变量同名，那么函数内的变量的值会是什么呢？

看一个例子：

#include <stdio.h>

int a = 1;

int main(void)
{
int a = 2;
printf(“%d\n”, a);
return 0;
}
这段代码的执行结果是：2。

这里存在同名覆盖原则：同名的局部变量会覆盖同名的全局变量。

函数作用域

函数的作用域与全局变量的作用域相同，毕竟在C语言中函数内部无法再定义函数。

提供给外部其他源文件使用的函数的声明形式如下：

extern 返回值类型 函数名(参数列表...);

给本文件内使用的函数的声明形式如下：

static 返回值类型 函数名(参数列表...);

并且，函数对编译器的可见性也取决于函数声明的位置，例如：

int main(void)
{
  foo();
  return 0;
}

static void foo(void);

void foo(void)
{
}

如此声明foo函数，编译器依旧会报错，因为foo函数的定义对main不可见。如果将foo函数的static声明提前到main函数前（即本例中放在第一行），则可正常编译。

块作用域

前面关于语句的文章中并未提及一种特殊的语句——块语句。

这种语句是以大括号({})扩起的，其大括号内部可以是单条语句，也可以是多条语句。

{
  ...//一条或多条语句
}

这并非是说C语言中看到大括号就是块语句。函数的大括号并不属于块语句，其余则皆为块语句，包括if-else、for、while等结构中涉及大括号的部分。

我们先来看一个例子：

#include <stdio.h>

int main(void)
{
  int a = 1;
  {
    int a = 2;
    printf("In block a:%d\n", a);
  }
  printf("Out of block a:%d\n", a);
  return 0;
}

运行结果为：

In block a:2
Out of block a:1

这个例子告诉我们两个事实：

1. 块内同名变量将覆盖外层同名变量
2. 块内定义的变量在块外无法访问，即块结构内的自动变量会随块结构完结而销毁。

头文件与源文件

之前的文章中，所涉及到的例子都是放在.c文件中的。然而C语言中并不只有.c文件。

在C语言中有两种文件——头文件和源文件。

源文件就是我们所说的文件名后缀以.c结尾的文件，其中的代码一般都是各类函数的定义。

头文件是文件名以.h结尾的文件。这类文件中一般记录一些结构定义、函数声明、变量声明、类型定义等。关于结构体和类型定义我们后续文章会有专门说明。

什么情况下需要头文件呢？我们来看个例子：

/*b.c*/
extern void foo(void);

void bar(void)
{
  foo();
}

/*c.c*/
void foo(void)
{
}

可以看到，a.c和b.c都用到了c.c中的foo函数，因此它们都需要声明foo函数。如果这时我对foo函数的返回类型做了修改，那么我需要到声明foo的其他源文件中修改其声明。如果我有20个源文件中都用到了foo呢？那么此时的修改会不会引起混乱呢？因此，头文件就派上了用场。

我们看下修改后的代码：

/*a.c*/
#include "c.h"

extern void bar(void);

int main(void)
{
  foo();
  bar();
  return 0;
}

/*b.c*/
#include "c.h"

void bar(void)
{
  foo();
}

/*c.c*/
void foo(void)
{
}

/*c.h*/
extern void foo(void);

如此，我们将foo的extern声明仅写一份放在c.h头文件中。

然后利用预编译的include指令，将c.h的内容引入到需要使用foo函数的a.c和b.c文件中。关于include的更详细介绍，将在预编译宏文章中给出。目前只需要知道，在编译时，include会将其后紧跟的文件名所指定的文件中的内容原封不动展开（可看作复制）进使用该include指令的源文件中，且展开点就是include指令所在位置。

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