C++存储链接性原理详解

目录
  • 链接性
    • 外部链接性
    • 单定义规则
    • 内部链接性
    • 无链接性
  • 总结

链接性

链接性是指名称在不同文件之间能否共享，而作用域是指名称在文件内部哪些范围可见。

这里的文件并非开发时创建的文件，而是将文件的 include 内容全部递归包含进来之后，形成的大文件。

这一点也是与Go等一些语言不同。在Go语言中，文件是按包(package)组织，所有依赖的包都需要直接或间接import进来。也就是从main开始递归import得到的就是我们依赖的所有文件。

但C++不同。C++源文件主要分.h 和 .cpp两种，一般我们都只会include .h文件，而不会include .cpp文件。因此，.cpp文件之间其实没有直接关联，需要通过cmakelist等方式告诉编译器，我们的程序涉及到哪些源文件。

而C++在编译时，会首先将include的文件内容全部递归包含进来，形成一个大的文件，这个大文件是一个编译单元，也就是上面链接性所说的文件。其实，C++的宏定义的可使用范围，也是在这个大文件内。

链接性有三种：

  • 外部链接性：一个文件声明的名称可以在另一个文件中使用
  • 内部链接性：声明的名称只能在文件内使用
  • 无链接性：意味着只能在函数或代码块内使用

自动类型变量都没有链接性，而静态类型变量可以有三种链接性。那么如何定义这三种链接性的静态变量呢？

外部链接性

链接性为外部的变量也叫外部变量，也称全局变量。外部变量在函数外声明，不加static关键字。外部变量可以在所有文件使用。

对于函数来说，没有加inline和static关键字的函数，都具有外部链接性。

说到外部，可能会想到一个关键字：extern。这个关键字有什么用？实际上它是用来做引用声明。因为如果想使用其他文件中定义的外部变量，不能直接使用，而是要先进行引用声明，表示要引用这个外部变量，这里就需要用到关键字extern。例如：

// file1.cpp
int foo = 1;

// file2.cpp
extern int foo;
// extern int foo = 1; WRONG
cout << foo;

file1.cpp 在函数之外定义了全局变量foo，在file2.cpp中，用extern关键字声明之后，即可使用foo了。注意，extern语句中不能初始化foo，否则这里就变成定义而不是引用声明，导致重复定义全局变量foo，编译错误。

单定义规则

对于外部变量，每个使用它的文件都必须声明它。而C++又有“单定义规则”，即链接性为外部的函数和变量可以有多个声明，但只能有一个定义。这里再明确下这两个术语：“定义声明”，简称“定义”；“引用声明”，简称“声明”。

为了实现单定义规则，编译器要知道这一行代码是在声明还是在定义，那怎么区分声明还是定义呢？

对于函数来说，区分声明和定义很简单，有函数体则是定义，否则为声明。而变量则不同，前面所谓的变量声明，对于编译器来说都是定义，都分配了存储空间。如何声明一个变量而不分配存储空间呢？关键字extern就派上用场了，使用extern关键字且没有进行初始化，则为声明，不会分配存储空间，否则为定义。

C++初学者可能还不太明白为什么C++中都要把函数声明放在.h文件，把函数定义放在.cpp文件中。其实用单定义规则就很好解释了。函数如果没有加inline和static，即具有外部链接性，如果把定义放在.h文件中，这个.h文件会被多个.cpp文件引用，编译时会形成多个副本，相当于被定义了多次。

总之，.h文件中只能放声明，或者没有外部链接性的定义。

可能有小伙伴发现，有些定义在函数外的静态变量没有加static，也会放在.h文件中，为什么可以呢？其实const变量默认会添加static，链接性变为内部。而如果想要声明为外部变量，则需要加上external：

const int foo = 10;  // 链接性为内部
extern const int bar = 10; // 链接性为外部

内部链接性

前面说了，定义在函数外部的变量默认是全局变量，具有外部链接性。但如果加上static说明符，则变成内部链接性。对于函数也一样，加上static则变为内部链接性。

在函数外定义的变量，static的含义与局部变量中static的含义不同。前者表示链接性为内部，后者表示存储持续性为静态。这也可以称为关键字重载，即关键字在不同上下文中有不同含义。

具有内部链接性的变量或函数，可以在不同文件中有多个定义。内部链接性的变量也可以与同名外部变量同时存在，这时内部变量将隐藏外部变量。对函数来说也一样。

无链接性

定义在函数或代码块内的局部变量没有链接性，只能在局部使用。如果加上static修饰则为静态变量，虽然在程序运行期间会一直存在，但只有在代码块内才能使用。

总结

下面总结一下前面提到的不同存储持续性与链接性的变量。

  • 自动存储持续性，无链接性

在代码块内定义

  • 静态存储持续性，无链接性

在代码块内定义，用static关键字

  • 静态存储持续性，内部链接性

在代码块外定义，用static关键字 或const修饰

  • 静态存储持续性，外部链接性

在代码块外定义。引用声明则需要用extern

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