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C++ - static关键字的用法

发布时间 2023-10-11 17:13:42作者: [BORUTO]

1. C 语言的static关键字有三种用途

1.1 静态局部变量

用于函数体内部修饰变量，这种变量的生存期长于该函数。

int foo()
{
    static int i = 1; // note:1
    //int i = 1;  // note:2
    i += 1;
    return i;
}

要明白这个用法，我们首先要了解c/c++的内存分布，以及static所在的区间。

对于一个完整的程序，在内存中的分布情况如下图：　

1.栈区： 由编译器自动分配释放，像局部变量，函数参数，都是在栈区。会随着作用于退出而释放空间。

2.堆区：程序员分配并释放的区域，像malloc(c),new(c++)

3.全局数据区(静态区)：全局变量和静态便令的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束释放。

4.代码区

所以上面note:1的static是在全局数据区分配的,那么它存在的意思是什么？又是什么时候初始化的呢？

首先回答第一个问题：它存在的意义就是随着第一次函数的调用而初始化，却不随着函数的调用结束而销毁(如果把以上的note:1换成note:2,那么i就是在栈区分配了，会随着foo的调用结束而释放)。 那么第二个问题也就浮出水面了，它是在第一次调用进入note:1的时候初始化（当初面试被坑过，我居然说是一开始就初始化了，汗！！）。且只初始化一次，也就是你第二次调用foo(),不会继续初始化，而会直接跳过。

那么它跟定义一个全局变量有什么区别呢，同样是初始化一次，连续调用foo()的结果是一样的，但是，使用全局变量的话，变量就不属于函数本身了，不再仅受函数的控制，给程序的维护带来不便。 　　静态局部变量正好可以解决这个问题。静态局部变量保存在全局数据区，而不是保存在栈中，每次的值保持到下一次调用，直到下次赋新值。

那么我们总结一下，静态局部变量的特点（括号内为note:2,也就是局部变量的对比）：

（1）该变量在全局数据区分配内存(局部变量在栈区分配内存);

（2）静态局部变量在程序执行到该对象的声明处时被首次初始化，即以后的函数调用不再进行初始化(局部变量每次函数调用都会被初始化);

（3）静态局部变量一般在声明处初始化，如果没有显式初始化，会被程序自动初始化为0(局部变量不会被初始化);

（4）它始终驻留在全局数据区，直到程序运行结束。但其作用域为局部作用域，也就是不能在函数体外面使用它(局部变量在栈区，在函数结束后立即释放内存);

 

1.2 静态全局变量

定义在函数体外，用于修饰全局变量，表示该变量只在本文件可见。

static int i = 1;  //note:3
//int i = 1;  //note:4
​
int foo()
{
    i += 1;
    return i;
}

note:3和note:4有什么差异呢？你调用foo(),无论调用几次，他们的结果都是一样的。也就是说在本文件内调用他们是完全相同的。那么他们的区别是什么呢？ 文件隔离！

假设我有一个文件a.c,我们再新建一个b.c,内容如下。

//file a.c
​
//static int n = 15;  //note:5
int n = 15;  //note:6
​
//file b.c
#include <stdio.h>
​
extern int n;
​
void fn()
{
    n++;
    printf("after: %d\n",n);
}
​
​
void main()
{
    printf("before: %d\n",n);
    fn();
}

我们先使用note:6,也就是非静态全局变量，发现输出为: before: 15 after: 16

也就是我们的b.c通过extern使用了a.c定义的全局变量。 那么我们改成使用note:5,也就是使用静态全局变量呢？

gcc a.c b.c -o output.out

会出现类似undeference to "n"的报错，它是找不到n的，因为static进行了文件隔离，你是没办法访问a.c定义的静态全局变量的，当然你用 #include "a.c",那就不一样了。

以上我们就可以得出静态全局变量的特点：

静态全局变量不能被其它文件所用(全局变量可以); 其它文件中可以定义相同名字的变量，不会发生冲突(自然了，因为static隔离了文件，其它文件使用相同的名字的变量，也跟它没关系了);

 

1.3 静态函数

准确的说，静态函数跟静态全局变量的作用类似。其特性如下：

  • 静态函数只能在声明它的文件中可见，其他文件不能引用该函数
  • 不同的文件可以使用相同名字的静态函数，互不影响

非静态函数可以在另一个文件中直接引用，甚至不必使用extern声明

下面两个文件的例子说明使用static声明的函数不能被另一个文件引用：

/* file1.c */
#include <stdio.h>

static void fun(void)
{
    printf("hello from fun.\n");
}

int main(void)
{
    fun();
    fun1();

    return 0;
}
/* file2.c */
#include <stdio.h>

static void fun1(void)
{
    printf("hello from static fun1.\n");
}

编译时，错误报告如下：

 

 

修改文件，不使用static修饰符，可在另一文件中引用该函数：

/* file1.c */
#include <stdio.h>

void fun(void)
{
    printf("hello from fun.\n");
}
/* file2.c */
int main(void)
{
    fun();

    return 0;
}

编译通过，运行结果如下：

输出: hello from fun.

 

上面一共说了三种用法，为什么说准确来说是两种呢？

1.一种是修饰变量，一种是修饰函数，所以说是两种（这种解释不多）。

2.静态全局变量和修饰静态函数的作用是一样的，一般合并为一种。（这是比较多的分法）。

 

2. C++ 语言的static关键字有二种用途

当然以上的几种，也可以用在c++中。还有额外的两种用法：

 

2.1 静态数据成员

用于修饰 class 的数据成员，即所谓“静态成员”。这种数据成员的生存期大于 class 的对象（实体 instance）。静态数据成员是每个 class 有一份，普通数据成员是每个 instance 有一份，因此静态数据成员也叫做类变量，而普通数据成员也叫做实例变量。

#include<iostream>
using namespace std;

class Rectangle
{
private:
    int m_w;
    int m_h;
    static int s_sum;

public:
    Rectangle(int w, int h)
    {
        this->m_w = w;
        this->m_h = h;
        s_sum += (this->m_w * this->m_h);
    }
    
    void GetSum()
    {
        cout << "sum = " << s_sum << endl;
    }
};


int Rectangle::s_sum = 0;//初始化


int main()
{
    cout << "sizeof(Rectangle) = " << sizeof(Rectangle) << endl;

    Rectangle* rect1 = new Rectangle(3, 4);
    rect1->GetSum();
    cout << "sizeof(rect1) = " << sizeof(*rect1) << endl;

    Rectangle rect2(2, 3);
    rect2.GetSum();
    cout << "sizeof(rect2) = " << sizeof(rect2) << endl;

    system("pause");
    return 0;
}

结果如下：

由图可知：sizeof(Rectangle)=8bytes=sizeof(m_w)+sizeof(m_h)。也就是说 static 并不占用Rectangle的内存空间。 那么static在哪里分配内存的呢？是的，全局数据区(静态区)。 再看看GetSum()，第一次12=34，第二次18=12+23。由此可得，static只会被初始化一次，于实例无关。

结论：

对于非静态数据成员，每个类对象(实例)都有自己的拷贝。而静态数据成员被当作是类的成员，由该类型的所有对象共享访问,对该类的多个对象来说，静态数据成员只分配一次内存。 静态数据成员存储在全局数据区。静态数据成员定义时要分配空间，所以不能在类声明中定义。

也就是说，你每new一个Rectangle，并不会为static int s_sum的构建一份内存拷贝，它是不管你new了多少Rectangle的实例，因为它只与类Rectangle挂钩，而跟你每一个Rectangle的对象没关系。

 

2.2 静态成员函数

用于修饰 class 的成员函数。

我们对上面的例子稍加改动：

#include<iostream>
using namespace std;

class Rectangle
{
private:
    int m_w;
    int m_h;
    static int s_sum;

public:
    Rectangle(int w, int h)
    {
        this->m_w = w;
        this->m_h = h;
        s_sum += (this->m_w * this->m_h);
    }
    static void GetSum()//这里加上static
    {
        cout << "sum = " << s_sum << endl;
    }
};


int Rectangle::s_sum = 0;//初始化


int main()
{
    cout << "sizeof(Rectangle) = " << sizeof(Rectangle) << endl;

    Rectangle* rect1 = new Rectangle(3, 4);
    rect1->GetSum();
    cout << "sizeof(rect1) = " << sizeof(*rect1) << endl;

    Rectangle rect2(2, 3);
    rect2.GetSum();//可以用对象名.函数名访问
    cout << "sizeof(rect2) = " << sizeof(rect2) << endl;

    Rectangle::GetSum();//也可以可以用类名::函数名访问
    
    system("pause");
    return 0;
}

结果如下：

上面注释可见:对GetSum()加上static，使它变成一个静态成员函数，可以用类名::函数名进行访问。 那么静态成员函数有特点呢？

1.静态成员之间可以相互访问，包括静态成员函数访问静态数据成员和访问静态成员函数;

2.非静态成员函数可以任意地访问静态成员函数和静态数据成员;

3.静态成员函数不能访问非静态成员函数和非静态数据成员;

4.调用静态成员函数，可以用成员访问操作符(.)和(->)为一个类的对象或指向类对象的指针调用静态成员函数,也可以用类名::函数名调用(因为他本来就是属于类的，用类名调用很正常)

前三点其实是一点：静态成员函数不能访问非静态(包括成员函数和数据成员)，但是非静态可以访问静态，有点晕吗？没关系，我给你个解释， 因为静态是属于类的，它是不知道你创建了10个还是100个对象，所以它对你对象的函数或者数据是一无所知的，所以它没办法调用，而反过来，你创建的对象是对类一清二楚的(不然你怎么从它那里实例化呢)，所以你是可以调用类函数和类成员的，就像不管GetSum是不是static，都可以调用static的s_sum一样。