【C++】内存空间模型与名称空间(存储持续性、作用域、链接性、变量存储方式)
创始人
2024-04-23 12:50:27
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单独编译

头文件常包含的内容:函数原型、使用#defineconst定义的符号常量、结构声明、类声明、模板声明、内联声明。

若头文件中文件名包含在尖括号中,则C++编译器将在存储标准头文件的主机系统的文件系统中查找;若文件包含在双引号中,则编译器将首先查找当前的工作目录或源代码目录。

在同一个文件中只能将同一个头文件包含一次。避免方法:基于预处理器编译指令#ifndef#endif(编译器将查看这之间的内容,让它忽略除第一次包含之外的所有内容)

存储持续性、作用域和链接性

  1. 自动存储持续性:在函数定义中声明的变量(包括函数参数)的存储持续性为自动的。程序开始执行其所属的函数或代码块时被创建,在执行完函数或代码块时其内存被释放。
  2. 静态存储持续性:在函数定义外定义的变量和使用关键字static定义的变量的存储持续性都为静态。(在程序运行过程中都存在)
  3. 线程存储持续性:多核处理器,让程序能将计算放在可并行处理的不同线程中,若变量是使用关键字thread_local声明的,则其生命周期与所属线程一样长。
  4. 动态存储持续性:用new运算符分配的内存将一直存在,直到使用delete运算符将其释放或程序结束为止。这种内存的存储持续性为动态,有时也被称为自由存储或堆。

五种变量存储方式

存储描述持续性作用域链接性如何声明
自动自动代码块在代码块中
寄存器自动代码块代码块中,关键字register
静态,无链接性静态代码块代码块中,关键字static
静态,外部链接性静态文件外部不在任何函数内
静态,内部链接性静态文件内部不在任何函数内,使用static
  1. 作用域和链接
    作用域描述了名称在文件(翻译单元)的多大范围可见。作用域为全局(文件作用域)的变量在定义位置到文件结尾之间都可用;自动变量的作用域为局部;在函数原型作用域中使用的名称只在包含参数列表的括号内可用;在类中声明的成员的作用域为整个类;在名称空间中声明的变量的作用域为整个名称空间;C++函数的作用域可以是整个类或整个名称空间(包括全局的),但不能是局部的(不能在代码块内定义函数)。
    链接性描述了名称如何在不同单元间共享;链接性为外部的名称可在文件间共享,链接性为内部的名称只能由一个文件中的函数共享

  2. 自动存储持续性
    默认情况下,在函数中声明的函数参数和变量的存储持续性为自动,作用域为局部,没有链接性。代码块中定义的变量的存在时间和作用域将被限制在该代码块内。
    可以使用任何在声明时其值为已知的表达式来初始化自动变量。
    程序使用两个指针来跟踪栈,一个指针指向栈底—栈的开始位置,另一个指针指向堆顶—下一个可用内存单元,栈是后进先出的,即最后加入到栈中的变量首先被弹出。
    关键字register建议编译器使用CPU寄存器来存储自动变量。

  3. 静态持续变量
    C++为静态存储持续性变量提供了3种链接性:外部链接性(可在其它文件中访问)、内部链接性(只能在当前文件中访问)、无链接性(只能在当前函数和代码块中访问)
    所有的静态持续变量都有以下初始化特征:未被初始化的静态变量的所有位都被设置成0. 这种变量被称为零初始化的,也可对静态变量进行常量表达式初始化和动态初始化。

  4. 静态持续性、外部链接性
    链接性为外部的变量通常简称为外部变量,它们的存储持续性为静态,作用域为整个文件。
    C++提供两种变量声明:一是定义声明(给变量分配内存空间),另一种是引用声明(引用已有变量,使用关键字extern且不进行初始化)。
    作用域解析运算符(::)放在变量名前表示使用变量的全局版本。程序越能避免对数据进行不必要的访问,就越能保持数据的完整性。通常情况下应使用局部变量。

  5. 静态持续性、内部链接性
    static限定符用于作用域为整个文件的变量时,该变量的链接性将为内部的。链接性为内部的变量只能在其所属的文件中使用;链接性为外部的常规外部变量可以在其他文件中使用。
    如文件中定义了一个静态外部变量,其名称与另一个文件中声明的常规外部变量相同,则在该文件中,静态变量将隐藏常规外部变量。
    在多文件程序中,可以在一个文件(且只能在一个文件)中定义一个外部变量。使用该变量的其他文件必须使用extern声明它。

  6. 静态存储持续性、无链接性
    static限定符用于在代码块中定义的变量。其存储持续性为静态的。若初始化了静态局部变量,则程序只在启动时进行一次初始化,之后再调用函数时将不会像自动变量那样再次被初始化。

  7. 函数和链接性
    所有的函数的存储持续性都自动为静态的。即在整个程序执行期间一直存在。默认情况下,函数的链接性为外部的,即可在文件间共享(可以在函数原型中使用extern)。使用static将函数的链接性设置为内部的,使之只能在一个文件中使用,必须同时在原型和函数定义中使用static。C++要求同一个函数的所有内联定义都必须相同,对于每个非内联函数,程序只能包含一个定义。

  8. 语言链接性
    链接程序要求每个不同的函数都有不同的符号名。C++编译器执行名称矫正或名称修饰,为重载函数生成不同的符号名称。

说明符和限定符

  1. 存储说明符:auto(自动类型推断)、register(寄存器存储,C++11中显式的指出变量是自动的)、staticextern(引用声明)、thread_local(指出变量的持续性与其所属线程的持续性相同)、mutable(根据const解释)
  2. CV-限定符:constvolatile(即使程序代码没有对内存单元进行修改,其值也可能发生改变,该关键字的作用是改善编译器的优化能力)
    mutable:可用它指出,即使结构(或类)变量为const,其某个成员也可被修改。
  3. 默认情况下全局变量的链接性为外部的,但const全局变量的链接性为内部的。即在C++看来,全局const定义就像使用了static说明符一样,这还意味着每个文件都有自己的一组常量,而不是所有文件共享一组常量。
  4. 鉴于单个const在多个文件间共享,因此只有一个文件可对其进行初始化。

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