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C++中Static的完全解析

C++ static 有两种用法:面向过程程序设计中的 static 和面向对象程序设计中的 static 。前者应用于普通变量和函数,不涉及类;后者主要说明 static 在类中的作用。

一、面向过程设计中的 static

1 、静态全局变量

在全局变量前,加上关键字 static ,该变量就被定义成为一个静态全局变量。我们先举一个静态全局变量的例子,如下:

//Example 1

#include <iostream.h>

void fn();

static int n; // 定义静态全局变量

void main()

{

         n=20;

         cout<<n<<endl;

         fn();

}

 

void fn()

{

         n++;

         cout<<n<<endl;

}

静态全局变量有以下特点:

  • 该变量在全局数据区分配内存;
  • 未经初始化的静态全局变量会被程序自动初始化为 0 (自动变量的值是随机的,除非它被显式初始化);
  • 静态全局变量在声明它的整个文件都是可见的,而在文件之外是不可见的; 

静态变量都在全局数据区分配内存,包括后面将要提到的静态局部变量。对于一个完整的程序,在内存中的分布情况如下图:
 

代码区

全局数据区

堆区

栈区

  一般程序的由 new 产生的动态数据存放在堆区,函数内部的自动变量存放在栈区。自动变量一般会随着函数的退出而释放空间,静态数据(即使是函数内部的静态局部变量)也存放在全局数据区。全局数据区的数据并不会因为函数的退出而释放空间。细心的读者可能会发现, Example 1 中的代码中将

         static int n; // 定义静态全局变量

改为

         int n; // 定义全局变量

程序照样正常运行。
的确,定义全局变量就可以实现变量在文件中的共享,但定义静态全局变量还有以下好处:

  • 静态全局变量不能被其它文件所用;
  • 其它文件中可以定义相同名字的变量,不会发生冲突;

您可以将上述示例代码改为如下:

//Example 2

//File1

#include <iostream.h>

void fn();

static int n; // 定义静态全局变量

void main()

{

         n=20;

         cout<<n<<endl;

         fn();

}

 

//File2

#include <iostream.h>

extern int n;

void fn()

{

         n++;

         cout<<n<<endl;

}

编译并运行 Example 2 ,您就会发现上述代码可以分别通过编译,但运行时出现错误。试着将

static int n; // 定义静态全局变量

改为

int n; // 定义全局变量

再次编译运行程序,细心体会全局变量和静态全局变量的区别。

 

注意事项 :

1. 记忆性 , 程序运行很重要的一点就是可重复性 , static 变量的 记忆性破坏了这种可重复性 , 造成不同时刻至运行的结果可能不同 .

2. 生存期全局性和唯一性 . 普通的 local 变量的存储空间分配在 stack , 因此每次调用函数时 , 分配的空间都可能不一样 , static 具有全局唯一性的特点 , 每次调用时 , 都指向同一块内存 , 这就造成一个很重要的问题 ---- 不可重入性 !!!

2 、静态局部变量

在局部变量前,加上关键字 static ,该变量就被定义成为一个静态局部变量。

我们先举一个静态局部变量的例子,如下:

//Example 3

#include <iostream.h>

void fn();

void main()

{

         fn();

         fn();

         fn();

}

void fn()

{

         static n=10;

         cout<<n<<endl;

         n++;

}

  通常,在函数体内定义了一个变量,每当程序运行到该语句时都会给该局部变量分配栈内存。但随着程序退出函数体,系统就会收回栈内存,局部变量也相应失效。
  但有时候我们需要在两次调用之间对变量的值进行保存。通常的想法是定义一个全局变量来实现。但这样一来,变量已经不再属于函数本身了,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。

静态局部变量有以下特点:

  • 该变量在全局数据区分配内存;
  • 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;
  • 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
  • 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,当定义它的函数或语句块结束时,其作用域随之结束;
  • 注意事项:
  •  
  • 在多线程程序设计或递归程序设计中, 要特别注意这个问题.
  • (不可重入性的例子可以参见<effective C++ (2nd)>(影印版)第103-105页)
  • 下面针对示例程序二, 分析在多线程情况下的不安全性.(为方便描述, 标上行号)
  • ① const char * IpToStr(UINT32 IpAddr)
  • ② {
  • ③ static char strBuff[16]; // static局部变量, 用于返回地址有效
  • ④ const unsigned char *pChIP = (const unsigned char *)&IpAddr;
  • ⑤ sprintf(strBuff, "%u.%u.%u.%u", pChIP[0], pChIP[1], pChIP[2], pChIP[3]);
  • ⑥ return strBuff;
  • ⑦ }
  • 假设现在有两个线程A,B运行期间都需要调用IpToStr()函数, 将32位的IP地址转换成点分10进制的字符串形式. 现A先获得执行机会, 执行IpToStr(), 传入的参数是0x0B090A0A, 顺序执行完应该返回的指针存储区内容是:”10.10.9.11”, 现执行到⑥时, 失去执行权, 调度到B线程执行, B线程传入的参数是0xA8A8A8C0, 执行至⑦, 静态存储区的内容是192.168.168.168. 当再调度到A执行时, 从⑥继续执行, 由于strBuff的全局唯一性, 内容已经被B线程冲掉, 此时返回的将是192.168.168.168字符串, 不再是10.10.9.11字符串.

这里可以考虑用多线程局部存储( TLS , 我将在以后写一般关于这方面的文章。

3 、静态函数

  在函数的返回类型前加上 static 关键字 , 函数即被定义为静态函数。静态函数与普通函数不同,它只能在声明它的文件当中可见,不能被其它文件使用。

静态函数的例子:

//Example 4

#include <iostream.h>

static void fn();// 声明静态函数

void main()

{

         fn();

}

void fn()// 定义静态函数

{

         int n=10;

         cout<<n<<endl;

}

定义静态函数的好处:

  • 静态函数不能被其它文件所用;
  • 其它文件中可以定义相同名字的函数,不会发生冲突;

范例:

//file1.cpp

static int varA;

int varB;

extern void funA()

{

……

}

static void funB()

{

……

}

 

//file2.cpp

extern int varB; // 使用 file1.cpp 中定义的全局变量

extern int varA; // 错误 ! varA static 类型 , 无法在其他文件中使用

extern vod funA(); // 使用 file1.cpp 中定义的函数

extern void funB(); // 错误 ! 无法使用 file1.cpp 文件中 static 函数

 

二、面向对象的 static 关键字(类中的 static 关键字)

1 、静态数据成员

在类内数据成员的声明前加上关键字 static ,该数据成员就是类内的静态数据成员。先举一个静态数据成员的例子。

//Example 5

#include <iostream.h>

class Myclass

{

public:

         Myclass(int a,int b,int c);

         void GetSum();

private:

         int a,b,c;

         static int Sum;// 声明静态数据成员

};

int Myclass::Sum=0;// 定义并初始化静态数据成员

 

Myclass::Myclass(int a,int b,int c)

{

         this->a=a;

         this->b=b;

         this->c=c;

         Sum+=a+b+c;

}

 

void Myclass::GetSum()

{

         cout<<"Sum="<<Sum<<endl;

}

 

void main()

{

         Myclass M(1,2,3);

         M.GetSum();

         Myclass N(4,5,6);

         N.GetSum();

         M.GetSum();

 

}

可以看出,静态数据成员有以下特点:

  • 对于非静态数据成员,每个类对象都有自己的拷贝。而静态数据成员被当作是类的成员。无论这个类的对象被定义了多少个,静态数据成员在程序中也只有一份拷贝,由该类型的所有对象共享访问。也就是说,静态数据成员是该类的所有对象所共有的。对该类的多个对象来说,静态数据成员只分配一次内存,供所有对象共用。所以,静态数据成员的值对每个对象都是一样的,它的值可以更新;
  • 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。在 Example 5 中,语句 int Myclass::Sum=0; 是定义静态数据成员;
  • 静态数据成员和普通数据成员一样遵从 public,protected,private 访问规则;
  • Static 成员变量的初始话是在类外,此时不能再带上 static 的关键字。

private,protected static 成员虽然可以在类外初始化,但是不能在类外被访问。

  • 因为静态数据成员在全局数据区分配内存,属于本类的所有对象共享,所以,它不属于特定的类对象,在没有产生类对象时其作用域就可见,即在没有产生类的实例时,我们就可以操作它;
  • 静态数据成员初始化与一般数据成员初始化不同。静态数据成员初始化的格式为:
    <数据类型><类名> :: <静态数据成员名> = <值>
  • 类的静态数据成员有两种访问形式:
    <类对象名> . <静态数据成员名> <类类型名> :: <静态数据成员名>
    如果静态数据成员的访问权限允许的话(即 public 的成员),可在程序中,按上述格式来引用静态数据成员
  • 静态数据成员主要用在各个对象都有相同的某项属性的时候。比如对于一个存款类,每个实例的利息都是相同的。所以,应该把利息设为存款类的静态数据成员。这有两个好处,第一,不管定义多少个存款类对象,利息数据成员都共享分配在全局数据区的内存,所以节省存储空间。第二,一旦利息需要改变时,只要改变一次,则所有存款类对象的利息全改变过来了;
  • 同全局变量相比,使用静态数据成员有两个优势:
  1. 静态数据成员没有进入程序的全局名字空间,因此不存在与程序中其它全局名字冲突的可能性;
  2. 可以实现信息隐藏。静态数据成员可以是 private 成员,而全局变量不能;

2 、静态成员函数

  与静态数据成员一样,我们也可以创建一个静态成员函数,它为类的全部服务而不是为某一个类的具体对象服务。静态成员函数与静态数据成员一样,都是类的内部实现,属于类定义的一部分。普通的成员函数一般都隐含了一个 this 指针, this 指针指向类的对象本身,因为普通成员函数总是具体的属于某个类的具体对象的。通常情况下, this 是缺省的。如函数 fn() 实际上是 this->fn() 。但是与普通函数相比,静态成员函数由于不是与任何的对象相联系,因此它不具有 this 指针。从这个意义上讲,它无法访问属于类对象的非静态数据成员,也无法访问非静态成员函数,它只能调用其余的静态成员函数。下面举个静态成员函数的例子。

//Example 6

#include <iostream.h>

class Myclass

{

public:

         Myclass(int a,int b,int c);

         static void GetSum();/ 声明静态成员函数

private:

         int a,b,c;

         static int Sum;// 声明静态数据成员

};

int Myclass::Sum=0;// 定义并初始化静态数据成员

 

Myclass::Myclass(int a,int b,int c)

{

         this->a=a;

         this->b=b;

         this->c=c;

         Sum+=a+b+c; // 非静态成员函数可以访问静态数据成员

}

 

void Myclass::GetSum() // 静态成员函数的实现

{

//      cout<<a<<endl; // 错误代码, a 是非静态数据成员

         cout<<"Sum="<<Sum<<endl;

}

 

void main()

{

         Myclass M(1,2,3);

         M.GetSum();

         Myclass N(4,5,6);

         N.GetSum();

         Myclass::GetSum();

}

关于静态成员函数,可以总结为以下几点:

  • 出现在类体外的函数定义不能指定关键字 static
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 由于没有 this 指针的额外开销,因此静态成员函数与类的全局函数相比速度上会有少许的增长;
  • 调用静态成员函数,可以用成员访问操作符 (.) (->) 为一个类的对象或指向类对象的指针调用静态成员函数,也可以直接使用如下格式:
    <类名> :: <静态成员函数名>(<参数表>)
    调用类的静态成员函数。

 

三、用法小结

  • static Global variable: 文件作用域:只在声明的文件中有效,其他源文件中不可见;同时有了 static 的生命周期
    Global variable:
    文件作用域:可以加上 extern 声明为外部变量,跨文件作用域 ( 这里指的是把这些变量定义在 .cpp 文件中 )
  • static (Global) Function: 有文件作用域,只在本文件中使用
    Global Function:
    无文件作用域
  • static Member (in Function) variable: 函数调用完成后,变量保存状态,再次调用函数,不会重新分配空间
    Member(in Funcition) variable:
    函数内的生命周期
  • static Member(in Class) variable: 属于类范围,
    Member(in Class) variable:
    属于类派生的特定对象,生命周期和对象一致

Reference:

http://www.vckbase.com/document/viewdoc/?id=1720

http://topic.csdn.net/t/20060414/11/4686455.html

 

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posted on 2007-10-06 01:45 旅途 阅读(276) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: C/C++


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