c++static用法详解与为什么非const静态变量要在类外定义的原因分析_为什么c++ 类中的静态变量需要在实现文件中定义?

声明

• c++static用法详解内容来自于这篇博文，写的很不错，为方便学习static关键字的用法，我复制过来了。

• 后面的为什么非const静态变量要在类外定义的原因分析则是自己增加的内容。

概述

static关键字在c语言中比较常用，使用恰当能够大大提高程序的模块化特性，有利于扩展和维护。

但是对于c语言初学者，static由于使用灵活，并不容易掌握。本文就static在c语言中的应用进行总结，供参考使用。错漏之处，请不吝指正。

最后一节加入了c++面向对象中static的使用特性，当作拓展阅读。

---

static用法详解

变量

1. 局部变量

普通局部变量是再熟悉不过的变量了，在任何一个函数内部定义的变量（不加static修饰符）都属于这个范畴。编译器一般不对普通局部变量进行初始化，也就是说它的值在初始时是不确定的，除非对其显式赋值。

普通局部变量存储于进程栈空间，使用完毕会立即释放。

静态局部变量使用static修饰符定义，即使在声明时未赋初值，编译器也会把它初始化为0。且静态局部变量存储于进程的全局数据区，即使函数返回，它的值也会保持不变。

变量在全局数据区分配内存空间；编译器自动对其初始化
其作用域为局部作用域，当定义它的函数结束时，其作用域随之结束

小程序体会一下静态局部变量的威力：

#include <stdio.h>
void fn(void)
{
    int n = 10;
    printf("n=%d\n", n);
    n++;
    printf("n++=%d\n", n);
}
void fn_static(void)
{
    static int n = 10;
    printf("static n=%d\n", n);
    n++;
    printf("n++=%d\n", n);
}
int main(void)
{
    fn();
    printf("--------------------\n");
    fn_static();
    printf("--------------------\n");
    fn();
    printf("--------------------\n");
    fn_static();
    return 0;
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25

运行结果如下：

-> % ./a.out 
n=10
n++=11
--------------------
static n=10
n++=11
--------------------
n=10
n++=11
--------------------
static n=11
n++=12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

可见，静态局部变量的效果跟全局变量有一拼，但是位于函数体内部，就极有利于程序的模块化了。

2. 全局变量

全局变量定义在函数体外部，在全局数据区分配存储空间，且编译器会自动对其初始化。

普通全局变量对整个工程可见，其他文件可以使用extern外部声明后直接使用。也就是说其他文件不能再定义一个与其相同名字的变量了（否则编译器会认为它们是同一个变量）。

静态全局变量仅对当前文件可见，其他文件不可访问，其他文件可以定义与其同名的变量，两者互不影响。

在定义不需要与其他文件共享的全局变量时，加上static关键字能够有效地降低程序模块之间的耦合，避免不同文件同名变量的冲突，且不会误使用。

函数

函数的使用方式与全局变量类似，在函数的返回类型前加上static，就是静态函数。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");
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

使用 gcc file1.c file2.c编译时，错误报告如下：

/tmp/cc2VMzGR.o：在函数‘main’中：
static_fun.c:(.text+0x20)：对‘fun1’未定义的引用
collect2: error: ld returned 1 exit status
1
2
3

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;
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

同样使用 gcc file1.c file2.c编译，编译通过，运行结果如下：

-> % ./a.out 
hello from fun.
1
2

面向对象

静态数据成员

在类内数据成员的声明前加上static关键字，该数据成员就是类内的静态数据成员。其特点如下：

• 静态数据成员存储在全局数据区，静态数据成员在定义时分配存储空间，所以不能在类声明中定义
• 静态数据成员是类的成员，无论定义了多少个类的对象，静态数据成员的拷贝只有一个，且对该类的所有对象可见。也就是说任一对象都可以对静态数据成员进行操作。而对于非静态数据成员，每个对象都有自己的一份拷贝。
• 由于上面的原因，静态数据成员不属于任何对象，在没有类的实例时其作用域就可见，在没有任何对象时，就可以进行操作
• 和普通数据成员一样，静态数据成员也遵从public, protected, private访问规则
• 静态数据成员的初始化格式：<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方式：<类对象名>.<静态数据成员名> 或 <类类型名>::<静态数据成员名>

同全局变量相比，使用静态数据成员有两个优势：

• 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
• 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

静态成员函数

与静态数据成员类似，静态成员函数属于整个类，而不是某一个对象，其特性如下：

• 静态成员函数没有this指针，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
• 出现在类体外的函数定义不能指定关键字static
• 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

---

总结

static是一个很有用的关键字，使用得当可以使程序锦上添花。当然，有的公司编码规范明确规定只用于本文件的函数要全部使用static关键字声明，这是一个良好的编码风格。

无论如何，要在实际编码时注意自己的编码习惯，尽量体现出语言本身的优雅和编码者的编码素质。

非const静态变量要在类外定义的原因分析

为什么类的非const静态变量一定要在类外定义

当我们如下声明了一个类：

class A{
 public:
 	static int sti_data;
 	// 这个语句在c++11前不能通过编译，在c++11的新标准下，已经能够在声明一个普通变量是就对其进行初始化。
 	int a = 10；
 	static const int b = 1;
 	//...其他member
};

// 在类外定义静态成员变量并分配内存
int A::sti_data = 10;
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

上述的类只是声明了而已，并不是在系统中实际存在，要使用一个类，必须在系统中分配内存，也就是实例化出一个对象，比如：

int main () {
	A a;
}
1
2
3

为了明白为什么类的非const静态变量一定要在类的外边定义：

• 首先，需要搞清楚，文件中的类A的写法只是声明类A实现形式，在我们没有实例化一个类对象前，系统中不存在分配给类A的内存。同理，我们实例化了N个类A的对象，系统分配了N个A大小的内存。
• 其次，静态数据成员是一个类共有的，而不是一个对象独有，整个程序中只有一份静态数据成员的内存。
• 假如，我们不对静态成员变量进行与普通成员变量不同的处理，而是一样能在类的声明里事先定义并初始化好静态成员变量（也就是声明时给定一个初始值，等真正实例化一个对象时便用事先给定的初始值初始化这个变量）:static int sti_data = 1;，这意味着，每个我们实例化的类对象，都存在一个分配给静态成员变量的内存，这将导致在内存中存在多个同名的静态变量，这与静态变量的唯一性矛盾，必然编译不通过。
• 从实现来看，编译器确实能做到，每次实例化一个类对象时判断类中的静态变量是否已经定义过，但很显然，这么做的成本太高，还不如直接强制要求不能在类中对非const静态变量进行定义并初始化，而是只能声明。
• 至于为什么const静态变量能够在类内直接定义，因为static const 成员变量会被编译器优化，为编译期常量，编译器不会为其分配内存，更像是宏定义那样，在编译期时，在使用它的地方，用它的值替换它，这一点可以通过代码看到，若我们在类中定义一个static const 成员变量，我们可以打印出它的值，却不能打印出它的地址，因为编译器并没有给它分配内存。
• 因此，c++要求，非const静态变量一定要在类外定义。

为什么（普通或类的）函数里的静态变量能够事先初始化

这个问题主要时为了与第一个问题进行对比，加深理解。
原因很简单，每个的函数，无论是否静态，是否是成员函数还是普通函数，程序在编译时，会给每个函数分配内存，同时一个函数在程序里只有一份内存，这与类在实例化一个对象时才分配内存是有本质上的区别的。这时，对于函数的静态变量而言，只需要把静态变量的内存分配到静态区就能做到在程序的生命周期里不随着函数的调用而被构造或者销毁。