[C++] 資料的儲存方式

阿新 • • 發佈：2019-01-20

C++中儲存方式是通過儲存持續性，連結性和作用域來描述的。

1.儲存持續性

儲存持續性是指變數在記憶體中保留的時間，C++中共提供了四種持續性：

1.自動儲存持續性:在函式中或程式碼塊中定義的變數，其儲存持續性為自動持續儲存;
2.靜態儲存持續性:在函式外定義的變數和使用關鍵字static定義的變數，其儲存持續性為靜態持續儲存;
3.動態儲存持續性:使用new關鍵字分配記憶體的變數，其儲存性為動態儲存持續;
4.執行緒儲存持續性:C++11中提供，由關鍵字thread_local指出變數的持續性和當前執行緒持續性相同。

2.作用域

作用域描述了變數在檔案中的可見範圍，函式中定義的變數僅僅可在該函式中使用，檔案中定義的變數可在所有函式中使用。

3.連結性

連結性決定了是否可以在不同檔案中進行共享，有三種連結性：

外部連結性：可在其他檔案中訪問;
內部連結性：當前檔案中訪問;
無連結性：當前函式和程式碼塊中訪問;

變數的儲存方式

1.自動變數

儲存持續性為自動儲存持續性、作用域為區域性、無連結性的變數，稱為自動變數。因此自動變數也是區域性變數的一種。在函式內部、程式碼塊中定義的變數都為自動變數。自動變數儲存於棧中。

在c++11中，auto關鍵字用於自動型別推斷，但是在c++98中，其含義宣告自動變數，這種做法很少使用，因此，c++11中對auto賦予了全新的含義。

在c++11中，對關鍵字register也做了改變。原本register

表示使用CPU暫存器來儲存自動變數，c++11中，register表示顯式地聲明瞭自動變數。

2.靜態持續變數

和自動變數儲存於棧中不同，編譯器為靜態變數分配固定的記憶體來儲存所有的靜態變數。靜態持續變數有三種：

3.1.靜態持續性+外部連結性(外部變數)

儲存持續性為靜態，連結性為外部，作用域為整個檔案。這種變數也稱為外部變數。

3.1.1.extern關鍵字

c++中規定，在每個使用外部變數的檔案中，都必須宣告它，但是又根據單定義規則，變數只能定義一次。因此，c++提供了兩種變數宣告：

1.定義：給變數分配記憶體空間;
2.宣告：使用extern關鍵字，表示不給變數分配記憶體空間，引用已有的變數。

所以，如果要在多個檔案中使用外部變數，只需要在一個檔案中定義該變數，在使用該變數的檔案中，使用extern關鍵字宣告它，如下示例：

//extern1.cpp
#include <iostream>

int global = 100;

//extern2.cpp
#include <iostream>

using namespace std;

extern int global;
int main()
{
        cout << "global:" <<global << endl;
        return 0;
}

對這兩個檔案進行編譯後，執行結果如下：

@ubuntu:~/workspace/C++/chapter8$ g++ extern1.cpp extern2.cpp -o exter
@ubuntu:~/workspace/C++/chapter8$ ./exter 
:100
@ubuntu:~/workspace/C++/chapter8$

3.1.2.作用域解析符::使用外部變數

如果存在同名的外部變數和自動變數，則在自動變數作用域內，通過作用域解析符::來使用外部變數，如：

#include <iostream>

using namespace std;

int days = 20; 
void update();

int main()
{
        update();    
        return 0;
}

void update()
{
        int days  = 40; 
        cout << "local days = " << days << endl;
        cout << "global days = " << ::days << endl;
}
/*
local days = 40
global days = 20
*/

靜態持續性+內部連結性(全域性變數)

將static限定符用於作用域為整個檔案的變數時，該變數的連結性變為內部連結性。
也就是說，對常規的外部變數使用static限定，將會使得該變數僅在當前檔案中可用。
如：

//file1.cpp
#include <iostream>

int age = 20; 
int weight = 40; 
void show();

int main()
{
        using namespace std;
        cout << "in main():" << endl;
        cout << "age: " << age << " ,address: " << &age << endl;
        cout << "weight: " << weight << " ,address: " << &weight << endl;
        show();
        return 0;
}

//file2.cpp
#include <iostream>

static int age = 50; 
extern int weight;

void show()
{
        using namespace std;
        cout << "in show():" << endl;
        cout << "age: " << age << " ,address: " << &age << endl;
        cout << "weight: " << weight << " ,address: " << &weight << endl; 
}

/*
in main():
age: 20 ,address: 0x601070
weight: 40 ,address: 0x601074
in show():
age: 50 ,address: 0x601078
weight: 40 ,address: 0x601074

*/

在兩個檔案中，定義了兩次age變數，但這並不違反單定義規則，因為static關鍵字指出，變數的連結性為內部，因此並非要提供外部定義。

const關鍵字對外部變數也有影響，如果外部變數用const限定，則其連結性將變為內部，就像使用了static一樣。

3.3.靜態持續性+無連結性(靜態區域性變數)

對於在函式體或者程式碼塊中定義的變數，為自動變數(儲存持續性為自動，作用域為當前程式碼塊，連結性無)。將static關鍵字用於該變數時，將會使該變數的儲存持續性變為靜態。這種變數也成為靜態區域性變數。

這意味著該變數只在當前程式碼塊中可用，但是當該程式碼塊執行完畢後，該變數仍然存在。

此外，程式只會對靜態區域性變數初始化一次。

static用於全域性變數是，改變其連結性(由外部連結性變為內部連結性);

static用於區域性變數時，改變其儲存持續性(由自動儲存持續性變為靜態儲存持續性).

4.儲存說明符和型別限定符

在以上提及的儲存方案中，提到了幾個關鍵字，這裡對它進行總結。

4.1.儲存說明符

C++中有五個儲存說明符：

auto

auto在c++11中不再是儲存說明符，C++11之前是之顯式地宣告一個自動變數，c++11中用於自動型別推斷。

register

register在c++11中也被賦予了新的含義，c++11之前是指將變數儲存在CPU暫存器中，c++11中是指顯式地宣告自動變數。

register僅對聲明於塊作用域和函式引數列表的物件允許。

static

static用於全域性變數是，改變其連結性(由外部連結性變為內部連結性);
static用於區域性變數時，改變其儲存持續性(由自動儲存持續性變為靜態儲存持續性).

extern

extern關鍵字用於引用宣告，由於c++規定，每個變數在檔案中必須宣告，由由於單定義規則的限制，不允許多次定義同一個變數，因此使用extern關鍵字引用其他檔案中定義的外部變數。

thread_local

thread_local在c++11中引入，只對聲明於名稱空間作用域的物件、聲明於塊作用域的物件及靜態資料成員允許。它指示物件擁有執行緒儲存期。它能與static 或 extern 結合，以分別指定內部或外部連結（除了靜態資料成員始終擁有外部連結），但附加的 static 不影響儲存期。

4.2.型別限定符

型別限定符有三種：

const

const關鍵字最常用，表示該型別為一個常量。關於const的使用已經非常多了，這裡來看下它對外部變數的一個影響。

當const用於外部變數時，將會改變其連結性(由外連結性變為內連結性)，如此一來，該變數將會僅僅在該檔案中共享。

如果希望某個常量的連結性為外部，則可以使用extern來覆蓋預設的內部連結性：

//file1.cpp
extern const int Size = 20;
//file2.cpp
extern const int Size;//或者extern int Size;

volatile

volatile關鍵字用來提醒編譯器，即使程式沒有修改變數，其值也可能發生變化。

在編譯器處理程式時，如果發現在多個語句中使用了某個變數多次時，可能會進行優化，於是會將該變數寄存到暫存器中，從而完成優化。正是由於這個原因，如果在程式沒有修改該變數時，其值發生了變化，那麼程式將無法獲取到新的值。

因此，將變數宣告為volatile，告訴編譯器，不要進行這種優化。

mutable

mutable關鍵字應用於非引用非const型別的非靜態類成員，並指定該成員不影響類的外部可見狀態（常用於互斥、記憶體快取、惰性求值、及訪問裝置）。
const類例項的mutable成員是可修改的。
如：

struct student
{
    std::string name;
    mutable int age;
};
const student s1 = {"zhangsan",12};
s1.age = 23;//OK

5.動態記憶體分配

使用new申請的記憶體和上述提到的自動記憶體和靜態記憶體分配有所不同，動態記憶體由new和delete控制，而不受作用域和連結性的控制。

關於動態記憶體分配，在如下文章中：