（C语言内存二十一）C语言变量的存储类别和生存期

前言

我们知道，变量是有数据类型的，用以说明它占用多大的内存空间，可以进行什么样的操作。

除了数据类型，变量还有一个属性，称为“存储类别”。存储类别就是变量在内存中的存放区域。在进程的地址空间中， 常量区、全局数据区和栈区可以用来存放变量的值。

常量区和全局数据区的内存在程序启动时就已经由操作系统分配好，占用的空间固定，程序运行期间不再改变，程序运行结束后才由操作系统释放；它可以存放 全局变量、静态变量、一般常量和字符串常量。

栈区的内存在程序运行期间由系统根据需要来分配（使用到变量才分配内存；如果定义了变量但没有执行到该代码，也不会分配内存），占用的空间实时改变，使用完毕后立即释放，不必等到程序运行结束；它可以存放局部变量、函数参数等。

我们可以通过C语言中的关键字来控制变量的存放区域。C语言共有 4 个关键字用来指明变量的存储类别： 你的字体auto（自动的）、static（静态的）、register（寄存器的）、extern（外部的）。

知道了变量的存储类别，就可以知道变量的生存期。通俗地讲，生存期指的是在程序运行过程中，变量从创建到销毁的一段时间，生存期的长短取决于变量的存储类别，也就是它所在的内存区域。

本节我们只讲解 auto、static 和 register 三个关键字，external 将在模块化开发中讲解。

auto 变量

auto 是自动或默认的意思，很少用到，因为所有的变量默认就是 auto 的。也就是说，定义变量时加不加 auto 都一样，所以一般把它省略，不必多次一举。

例如：

int n = 10;

与

auto int n = 10;

的效果完全一样。

static 变量

static 声明的变量称为静态变量，不管它是全局的还是局部的，都存储在静态数据区（全局变量本来就存储在静态数据区，即使不加 static）。

静态数据区的数据在程序启动时就会初始化，直到程序运行结束；对于代码块中的静态局部变量，即使代码块执行结束，也不会销毁。

注意：静态数据区的变量只能初始化（定义）一次，以后只能改变它的值，不能再被初始化，即使有这样的语句，也无效。

请看下面的代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main ()
{
    int result, i;
    for(i = 1; i<=100; i++){
        result = sum(i);
    }
    printf("1+2+3+...+99+100 = %d
", result);
    system("pause");
    return 0;
}
int sum(int n){
    // 也可以不赋初值 0，静态数据区的变量默认初始化为 0
    static int result = 0;
    result += n;
    return result;
}

运行结果：
1+2+3+...+99+100 = 5050

我们在 sum() 中定义了一个静态局部变量 result，它存储在静态数据区，sum() 函数执行结束也不会销毁，下次调用继续有效。静态数据区的变量只能初始化一次，第一次调用 sum() 时已经对 result 进行了初始化，所以再次调用时就不会初始化了，也就是说 static int result = 0; 语句无效。

静态局部变量虽然存储在静态数据区，但是它的作用域仅限于定义它的代码块，sum() 中的 result 在函数外无效，与 main() 中的 result 不冲突，除了变量名一样，没有任何关系。

register 变量

一般情况下，变量的值是存储在内存中的，CPU 每次使用数据都要从内存中读取。如果有一些变量使用非常频繁，从内存中读取就会消耗很多时间，例如 for 循环中的增量控制：

int i;
for(i=0; i<1000; i++){
    // Some Code
}

执行这段代码，CPU 为了获得 i，会读取 1000 次内存。

为了解决这个问题，可以将使用频繁的变量放在CPU的通用寄存器中，这样使用该变量时就不必访问内存，直接从寄存器中读取，大大提高程序的运行效率。

不过寄存器的数量是有限的，通常是把使用最频繁的变量定义为 register 的。

来看一个计算 π 的近似值的例子，求解的一个近似公式如下：

为了提高精度，循环的次数越多越好，可以将循环的增量控制定义为寄存器变量，如下所示：

#include <stdio.h>
#include <conio.h>
int main()
{
    register int i = 0;  // 寄存器变量
    double sign = 1.0, res = 0, ad = 1.0;
    for(i=1; i<=100000000; i++)
    {
        res += ad;
        sign=-sign;
        ad=sign/(2*i+1);
    }
    res *= 4;
    printf("pi is %f", res);
    getch();
    return 0;
}

运行结果：
pi is 3.141593

关于寄存器变量有以下事项需要注意：

1. 为寄存器变量分配寄存器是动态完成的，因此，只有局部变量和形式参数才能定义为寄存器变量。

2. 局部静态变量不能定义为寄存器变量，因为一个变量只能声明为一种存储类别。

3. 寄存器的长度一般和机器的字长一致，只有较短的类型如 int、char、short 等才适合定义为寄存器变量，诸如 double 等较大的类型，不推荐将其定义为寄存器类型。

4. CPU的寄存器数目有限，即使定义了寄存器变量，编译器可能并不真正为其分配寄存器，而是将其当做普通的auto变量来对待，为其分配栈内存。当然，有些优秀的编译器，能自动识别使用频繁的变量，如循环控制变量等，在有可用的寄存器时，即使没有使用 register 关键字，也自动为其分配寄存器，无须由程序员来指定。