【炼气·20】变量的生命周期：栈变量、全局变量和static

码农修仙传 · 炼气期 · 第20篇 我是玄芯散人，带你从炼气修到大乘。

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境界标识

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║     炼气期 · 第20篇                    ║
║     变量的生命周期                      ║
║     栈变量、全局变量和static            ║
║     预计阅读：20分钟                    ║
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修仙引入

修仙界有两种规矩管着你。一种叫寿元，你能活多久。一种叫活动范围，你能在哪些地方走动。寿元和活动范围是两码事，有人寿元悠长却只能待在洞府里，有人寿元短暂却到处能跑。C语言的变量也受这两条规矩管。一条叫生命周期，管变量能活多久。一条叫作用域，管变量的名字在哪些代码里可见。搞混这两条规矩，是新手写Bug的常见原因。

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硬核主体

两条规矩：生命周期和作用域

生命周期回答"变量什么时候生，什么时候灭"。作用域回答"变量的名字在什么范围内能被引用"。

这两个概念听起来像一回事，实际不是。一个变量可以活得很久但名字只有一小段代码能看到，也可以名字到处可见但活得短暂。下面三种变量刚好展示了三种不同的组合。

栈变量：朝生暮灭

你在函数里写的局部变量，都是栈变量。018篇讲过函数调用栈，每次调用函数时在栈上划出一片区域放局部变量，函数返回时这片区域就交还了。变量的值随着栈帧的销毁而消失。

#include <stdio.h>

void counter(void) {
    int count = 0;   // 每次调用都重新初始化为0
    count++;
    printf("count = %d\n", count);
}

int main(void) {
    counter();   // 输出 count = 1
    counter();   // 还是输出 count = 1
    counter();   // 还是 1
    return 0;
}

调用了三次counter，每次输出的都是1。因为count是栈变量，每次函数返回时它的值就没了。下次再调用counter，count重新被初始化为0，然后加1，又是1。

栈变量的生命周期跟函数调用绑定。函数被调时生，函数返回时灭。它的作用域也只在定义它的花括号{}内部。你在counter外面写count，编译器不认识这个名字。

还有一个容易踩的坑：栈变量不初始化时，值是未定义的。因为栈帧所在的那片内存区域上次被别的函数用过，留下了残余数据。

void test(void) {
    int x;   // 没初始化
    printf("x = %d\n", x);   // 可能是任何值
}

每次调用test，输出的值可能都不一样。016篇讲过这个陷阱，这里从生命周期的角度看：栈变量在函数调用时才获得内存，那片内存上一位住客留下的残余还在，你没清就直接用了。

全局变量：与天同寿

全局变量定义在所有函数外面。它的生命周期跟整个程序一样长，程序启动时就存在，程序结束时才销毁。它的名字在整个项目的所有.c文件里都可见（前提是你用extern声明了它）。

#include <stdio.h>

int count = 0;   // 全局变量, 定义在函数外面

void counter(void) {
    count++;     // 每次调用都累加
    printf("count = %d\n", count);
}

int main(void) {
    counter();   // 输出 1
    counter();   // 输出 2
    counter();   // 输出 3
    return 0;
}

跟前面的栈变量版本对比，唯一区别是把int count = 0挪到了函数外面。现在count是全局变量，只初始化一次，三次调用都在累加。

全局变量存在数据段（已初始化的）或BSS段（未初始化的）里，不占栈空间。程序加载时操作系统给它分配好内存，值在那里一直放着，谁都能读写。

全局变量方便是方便，但有个大问题：谁都能改它。项目大了以后，全局变量被十几个函数读写，你完全不知道某个时刻它的值是谁改的，改成了什么。调试时这种Bug特别难查。所以有经验的工程师会尽量少用全局变量，能用局部变量解决的就不放外面。

static局部变量：活得久但只在局部有名

C语言有个关键字static，放在局部变量前面，效果很特别。变量的生命周期变得跟全局变量一样长，程序启动时就存在，程序结束时才销毁。但作用域没变，只在定义它的花括号内部可见。

#include <stdio.h>

void counter(void) {
    static int count = 0;   // 只初始化一次
    count++;
    printf("count = %d\n", count);
}

int main(void) {
    counter();   // 输出 1
    counter();   // 输出 2
    counter();   // 输出 3
    return 0;
}

这段代码跟全局变量版本的效果一模一样，三次调用输出1，2，3。但count的名字在counter函数外面完全不可见。你在main里写count，编译器报错说没定义。

static int count = 0这行只在程序启动时执行一次。第二次第三次调用counter时，这行被跳过，count保留上一次的值。这是static局部变量和普通局部变量的最大区别：初始化只做一次。

static局部变量也存在数据段或BSS段，跟全局变量放一起。它不占栈空间，函数返回时它的值也不会丢。

这张图能帮你记住三种变量分别住在哪。栈变量住在栈上，随函数调用来去。全局变量和static变量住在数据段或BSS段，程序运行期间一直在那里。堆是malloc分配的内存，这里先不展开，后面会专门讲。

static的第二种用法：限制可见范围

static除了修饰局部变量，还能修饰全局变量和函数。这时候它的意思完全不一样，不是延长生命周期（全局变量和函数本来就活到程序结束），而是限制可见范围。

普通的全局变量，其他.c文件用extern声明后就能访问。但如果你在全局变量前面加了static，这个变量就只在本.c文件里可见，其他文件即使写extern也找不到。

// counter.c
static int internal_count = 0;   // 只在counter.c里可见

int get_count(void) {            // 普通函数, 其他文件可以调用
    return internal_count;
}

// main.c
extern int internal_count;   // 链接报错! static变量外部不可见

int main(void) {
    // internal_count = 10;   // 编译/链接失败
    int n = get_count();       // 这样可以, 通过函数间接访问
    return 0;
}

函数也一样。加了static的函数只在本文件内可调用，其他文件链接不到它。

这种用法在做模块化设计时很有用。你写了一个.c文件，有些函数是给外部调用的接口，有些函数是自己内部用的辅助函数。给辅助函数加static，外部就看不到也不会误调用。019篇讲了多文件编译和链接，static就是在链接阶段把符号限制在文件内部的。

一个综合例子：三种变量放一起

#include <stdio.h>

int global_val = 100;          // 全局变量, 程序级生命周期, 全项目可见

void demo(void) {
    int local_val = 10;         // 栈变量, 函数返回时灭
    static int static_val = 0;  // static局部变量, 程序级生命周期, 仅本函数可见

    local_val++;
    static_val++;
    global_val++;

    printf("local=%d, static=%d, global=%d\n",
           local_val, static_val, global_val);
}

int main(void) {
    demo();   // local=11, static=1, global=101
    demo();   // local=11, static=2, global=102
    demo();   // local=11, static=3, global=103
    return 0;
}

local_val每次都是11，因为每次调用demo时它重新初始化为10然后加1。static_val和global_val每次都在累加，因为它们的值在函数返回后还在。

区别在于：global_val在别的函数里也能直接访问，static_val只在demo函数里可见。如果你想让一个变量记住上次的值，又不想让别的函数乱改它，static局部变量就是最合适的工具。

初始化的时机

栈变量的初始化在每次函数调用时执行。你写int x = 10，每次调用函数都会把10赋给x。

全局变量和static变量的初始化在程序启动时执行，而且只执行一次。你写static int x = 10，程序一启动x就是10了，后面函数被调用多少次，这行都不会再执行。

有一个细节：C标准规定static变量如果不显式初始化，默认值是0。全局变量也一样。栈变量则没有这种待遇，不初始化就是未定义值。这个区别背后的原因是，全局变量和static变量存在BSS段，操作系统加载程序时会把BSS段清零。栈变量用的是栈上残留的内存，没人帮你清。

int g;              // 全局, 自动初始化为0
static int s;       // static全局, 自动初始化为0

void foo(void) {
    int x;           // 栈变量, 值未定义
    static int y;    // static局部, 自动初始化为0
    printf("g=%d, s=%d, x=%d, y=%d\n", g, s, x, y);
    // g=0, s=0, x=随机值, y=0
}

什么时候用什么

写代码时怎么选这三种变量？有几条经验：

能用局部变量的就用局部变量。局部变量作用域小，出了函数就消失，不会污染其他代码。调试时你只要看函数内部就能搞清楚变量的来龙去脉。

需要"记住"上次的值，但不想让别的函数碰它，用static局部变量。比如一个函数内部计数器，记录自己被调用了多少次。

多个函数需要共享的数据，才考虑用全局变量。但要意识到全局变量是"公共财产"，谁都能改，出了Bug很难查。实际项目中，全局变量能少用就少用。

需要限制符号在本文件内部的，用static修饰全局变量或函数。这是模块化编程的常见手段，让接口更干净。

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修仙术语对照表

修仙术语	技术现实	本篇位置
寿元	变量的生命周期	两条规矩
活动范围	变量的作用域	两条规矩
朝生暮灭	栈变量随函数调用生灭	栈变量
与天同寿	全局变量活到程序结束	全局变量
洞府密室	static限制可见范围到本文件	static第二种用法
留着记忆	static局部变量保留上次值	static局部变量
公共灵田	全局变量谁都能读写	全局变量
私有灵田	static变量仅本文件或本函数可见	static两种用法
住所	变量在内存中的存储位置	内存布局
搬进洞府	栈变量在函数调用时分配	栈变量
原住民	全局和static变量在数据段或BSS段	static局部变量
一次性开光	static变量只初始化一次	初始化的时机

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突破条件

• [ ] 能说清生命周期和作用域的区别（一个管活多久，一个管名字在哪可见）
• [ ] 能解释为什么栈变量不初始化时值是随机的（栈上残留数据没清）
• [ ] 能写出static局部变量的代码，解释它为什么只初始化一次
• [ ] 能解释全局变量和static全局变量的区别（后者只在本文件可见）
• [ ] 能说出三种变量分别存在内存的哪个段（栈/数据段或BSS段）
• [ ] 能解释为什么全局变量和static变量不初始化时默认值是0（BSS段被OS清零）
• [ ] 能在一个多文件项目里用static限制函数的可见范围

下一篇讲头文件。.h和.c的关系到底是什么，声明和定义有什么区别，为什么头文件要写#ifndef防重复包含。这些疑问在021篇里都会说清楚。

下一篇：【炼气·21】头文件到底在干什么

你写#include <stdio.h>时编译器做了什么？.h文件里放声明还是放实现？为什么同一个头文件被包含两次会报错，#ifndef是怎么解决这个问题的？019篇讲了编译四步，这篇用预处理器的视角看头文件到底干了什么活。

问你：

你有没有被全局变量坑过？某个函数莫名其妙改了全局变量的值，导致另一个函数行为异常，你花了多久才找到原因？

你用过static局部变量吗？第一次发现它能"记住"上次的值时是什么反应？

我是玄芯散人，带你从炼气修到大乘。

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本文是「码农修仙传」系列第20篇。系列导航见 xren.ren