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19. 变量说明符

文章来源:知付 更新时间:2022-05-28 16:37 热度:379

C 语言允许声明变量的时候,加上一些特定的说明符(specifier),为编译器提供变量行为的额外信息。它的主要作用是帮助编译器优化代码,有时会对程序行为产生影响。

目录
  • const

  • static

  • auto

  • extern

  • register

  • volatile

  • restrict

const

const 说明符表示变量是只读的,不得被修改。

const double PI = 3.14159;
PI = 3; // 报错

上面示例里面的 const ,表示变量 PI 的值不应改变。如果改变的话,编译器会报错。

对于数组, const 表示数组成员不能修改。

const int arr[] = {1, 2, 3, 4};
arr[0] = 5; // 报错

上面示例中, const 使得数组 arr 的成员无法修改。

对于指针变量, const 有两种写法,含义是不一样的。如果 const* 前面,表示指针指向的值不可修改。

// const 表示指向的值 *x 不能修改
int const * x
// 或者
const int * x

下面示例中,对 x 指向的值进行修改导致报错。

int p = 1
const int* x = &p;

(*x)++; // 报错

如果 const* 后面,表示指针包含的地址不可修改。

// const 表示地址 x 不能修改
int* const x

下面示例中,对 x 进行修改导致报错。

int p = 1
int* const x = &p;

x++; // 报错

这两者可以结合起来。

const char* const x;

上面示例中,指针变量 x 指向一个字符串。两个 const 意味着, x 包含的内存地址以及 x 指向的字符串,都不能修改。

const 的一个用途,就是防止函数体内修改函数参数。如果某个参数在函数体内不会被修改,可以在函数声明时,对该参数添加 const 说明符。这样的话,使用这个函数的人看到原型里面的 const ,就知道调用函数前后,参数数组保持不变。

void find(const int* arr, int n);

上面示例中,函数 find 的参数数组 arrconst 说明符,就说明该数组在函数内部将保持不变。

有一种情况需要注意,如果一个指针变量指向 const 变量,那么该指针变量也不应该被修改。

const int i = 1;
int* j = &i;
*j = 2; // 报错

上面示例中, j 是一个指针变量,指向变量 i ,即 ji 指向同一个地址。 j 本身没有 const 说明符,但是 i 有。这种情况下, j 指向的值也不能被修改。

static

static 说明符对于全局变量和局部变量有不同的含义。

(1)用于局部变量(位于块作用域内部)。

static 用于函数内部声明的局部变量时,表示该变量的值会在函数每次执行后得到保留,下次执行时不会进行初始化,就类似于一个只用于函数内部的全局变量。由于不必每次执行函数时,都对该变量进行初始化,这样可以提高函数的执行速度,详见《函数》一章。

(2)用于全局变量(位于块作用域外部)。

static 用于函数外部声明的全局变量时,表示该变量只用于当前文件,其他源码文件不可以引用该变量,即该变量不会被链接(link)。

static 修饰的变量,初始化时,值不能等于变量,必须是常量。

int n = 10;
static m = n; // 报错

上面示例中,变量 mstatic 修饰,它的值如果等于变量 n ,就会报错,必须等于常量。

只在当前文件里面使用的函数,也可以声明为 static ,表明该函数只在当前文件使用,其他文件可以定义同名函数。

static int g(int i);

auto

auto 说明符表示该变量的存储,由编译器自主分配内存空间,且只存在于定义时所在的作用域,退出作用域时会自动释放。

由于只要不是 extern 的变量(外部变量),都是由编译器自主分配内存空间的,这属于默认行为,所以该说明符没有实际作用,一般都省略不写。

auto int a;
// 等同于
int a;

extern

extern 说明符表示,该变量在其他文件里面声明,没有必要在当前文件里面为它分配空间。通常用来表示,该变量是多个文件共享的。

extern int a;

上面代码中, aextern 变量,表示该变量在其他文件里面定义和初始化,当前文件不必为它分配存储空间。

但是,变量声明时,同时进行初始化, extern 就会无效。

// extern 无效
extern int i = 0;

// 等同于
int i = 0;

上面代码中, extern 对变量初始化的声明是无效的。这是为了防止多个 extern 对同一个变量进行多次初始化。

函数内部使用 extern 声明变量,就相当于该变量是静态存储,每次执行时都要从外部获取它的值。

函数本身默认是 extern ,即该函数可以被外部文件共享,通常省略 extern 不写。如果只希望函数在当前文件可用,那就需要在函数前面加上 static

extern int f(int i);
// 等同于
int f(int i);

register

register 说明符向编译器表示,该变量是经常使用的,应该提供最快的读取速度,所以应该放进寄存器。但是,编译器可以忽略这个说明符,不一定按照这个指示行事。

register int a;

上面示例中, register 提示编译器,变量 a 会经常用到,要为它提供最快的读取速度。

register 只对声明在代码块内部的变量有效。

设为 register 的变量,不能获取它的地址。

register int a;
int *p = &a; // 编译器报错

上面示例中, &a 会报错,因为变量 a 可能放在寄存器里面,无法获取内存地址。

如果数组设为 register ,也不能获取整个数组或任一个数组成员的地址。

register int a[] = {11, 22, 33, 44, 55};

int p = a;  // 报错
int a = *(a + 2); // 报错

历史上,CPU 内部的缓存,称为寄存器(register)。与内存相比,寄存器的访问速度快得多,所以使用它们可以提高速度。但是它们不在内存之中,所以没有内存地址,这就是为什么不能获取指向它们的指针地址。现代编译器已经有巨大的进步,会尽可能优化代码,按照自己的规则决定怎么利用好寄存器,取得最佳的执行速度,所以可能会忽视代码里面的 register 说明符,不保证一定会把这些变量放到寄存器。

volatile

volatile 说明符表示所声明的变量,可能会预想不到地发生变化(即其他程序可能会更改它的值),不受当前程序控制,因此编译器不要对这类变量进行优化,每次使用时都应该查询一下它的值。硬件设备的编程中,这个说明符很常用。

volatile int foo;
volatile int* bar;

volatile 的目的是阻止编译器对变量行为进行优化,请看下面的例子。

int foo = x;
// 其他语句,假设没有改变 x 的值
int bar = x;

上面代码中,由于变量 foobar 都等于 x ,而且 x 的值也没有发生变化,所以编译器可能会把 x 放入缓存,直接从缓存读取值(而不是从 x 的原始内存位置读取),然后对 foobar 进行赋值。如果 x 被设定为 volatile ,编译器就不会把它放入缓存,每次都从原始位置去取 x 的值,因为在两次读取之间,其他程序可能会改变 x

restrict

restrict 说明符允许编译器优化某些代码。它只能用于指针,表明该指针是访问数据的唯一方式。

int* restrict pt = (int*) malloc(10 * sizeof(int));

上面示例中, restrict 表示变量 pt 是访问 malloc 所分配内存的唯一方式。

下面例子的变量 foo ,就不能使用 restrict 修饰符。

int foo[10];
int* bar = foo;

上面示例中,变量 foo 指向的内存,可以用 foo 访问,也可以用 bar 访问,因此就不能将 foo 设为 restrict。

如果编译器知道某块内存只能用一个方式访问,可能可以更好地优化代码,因为不用担心其他地方会修改值。

restrict 用于函数参数时,表示参数的内存地址之间没有重叠。

void swap(int* restrict a, int* restrict b) {
  int t;
  t = *a;
  *a = *b;
  *b = t;
}

上面示例中,函数参数声明里的 restrict 表示,参数 a 和参数 b 的内存地址没有重叠。

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