C Programming Language

Basics #07: Scope and Lifetime

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Last Updated: 2020-01-01

前置知识

在阅读本文档前，请确保你已经掌握指针的基础知识，详见 Basics #01: Pointer 。

作用域

基本概念

通常我们主要讨论变量的作用域，但是事实上，作用域的概念是对应于标识符这一更广泛的概念的。所谓的 标识符 (identifier) 可以表示以下内容：

一个对象（或者说一个变量）；
一个函数；
结构体、联合体或枚举的一个 tag 或一个成员；
一个由 typedef 定义的名称；
一个标签（用于 goto 跳转的标签）；
一个宏名称或者宏参数。

为使初学者易于理解，本文仅面向变量和函数进行介绍，其它标识符的作用域可类同理解。

标识符的 作用域 (scope) 描述了标识符的 可访问性 (accessability) ，即该标识符在程序的哪些区域内是 可见的 (visible) ，即哪些 语句 (statements) 可以访问该标识符。

例如下面的代码会编译错误，因为变量 a 的作用域局限于 main 函数中，而函数 f 中的语句不在其作用域中，因而无法访问到 a 。

void f(void) {
    printf("a = %d\n", a);
}
int main(void) {
    int a = 1;
    f(a);
    return 0;
}

C 语言一共有四种作用域。对于其中的三种，标识符的作用域由其声明的位置决定，具体地讲：

如果声明出现在代码块内，或是函数体的形参列表中的一员，则标识符具有 块级作用域 (block scope) 。块级作用域始于声明出现的位置，终止于对应代码块的末尾。
如果声明出现在任何代码块或参数列表之外，则标识符具有 文件作用域 (file scope) 。文件作用域始于声明出现的位置，终止于对应翻译单元的末尾。
如果声明出现在函数原型的声明语句（注意，不是定义函数体时的语句）的形参列表中，则标识符具有 函数原型作用域 (function prototype scope) 。目前我尚不知晓这种作用域有什么实际意义。

在 C 语言中，局部变量 (local variables) 和 全局变量 (global variables) 就分别对应于块级作用域和文件作用域。

块级作用域

通俗地讲，代码块 (block) 指的是由 {} 包裹的一组程序语句，我们所用的函数体、条件分支、循环体等都定义了代码块。注意仅含单个语句的分支和循环体同样定义了代码块，尽管省略了 {} 符号。

#include <stdio.h>
int x = 2;           // in the file scope of the current file
int main(void) {     // block scope of main function
    int a;
    scanf("%d", &a);
    if (a > 5) {     // block scope of if statement
        int b = a * x;
        printf("b = %d\n", b);
    }
    int c = a + b;   // compile error : b is out of scope
    return 0;
}

我们也可以使用不含分支或循环的代码块来圈定一个局部的作用域。这种做法在实践中较少使用，通常习惯实现一些小的函数来隔离作用域，这样代码会有更好的可读性和可扩展性。

int main(void) {
    int a = 1;
    {                // define a block
        int b = a * a;
        a += b;
    }
    int c = a + b;   // compile error : b is out of scope
    return 0;
}

文件作用域

有关 翻译单元 (translation unit) 的概念我们不在本文中展开，初学者可将其简单理解为若干个 .h 头文件和若干个 .c 源文件的组织，这些对应了一个文件作用域。

全局变量的作用域是整个翻译单元。如果希望在翻译单元内的其它源文件中访问一个全局变量，通常需要用 extern 关键字将其声明在需要的位置。

如果希望变量的作用域局限于当前源文件之内，使之无法被其它文件内的程序语句访问，则需要用 static 关键字将其声明为 静态全局变量 (static global variables) 。

作用域的嵌套和覆盖

作用域是可以嵌套的，例如文件作用域通常包含了若干个块级作用域，而块级作用域也通常会嵌套数层，例如函数内可以有 if-else 结构，if 也可以嵌套多层。

对于嵌套的作用域，外层作用域中的标识符仍将在内层作用域中生效，这是符合常识的，例如全局变量总是能在函数中使用，而函数中直接声明的变量也总是能在 if 内使用。然而，如果出现了重名的标识符，则情况会有所不同。

在同一作用域内不允许声明重名的标识符，就像变量不能重名一样，但是不同作用域内则允许存在重名的标识符。

如果重名的标识符位于互相独立的作用域内（例如两个不同的函数内），则它们互相独立、互不影响。
如果重名的标识符位于嵌套的作用域内，则在内层作用域内，一旦重名的标识符被声明，则声明于外层作用域的标识符会被临时地覆盖。直到内层作用域终止后，外层的标识符会重新变得可见。

当程序执行进入内层后，外部的重名标识符并不会立刻变得不可见，而是直到内层的标识符被声明时才会被覆盖；当程序执行离开内层后，外部的标识符将重新变得可见。以下面的代码为例：

#include <stdio.h>
int a = 1;
int main(void) {
    printf("a = %d\n", a);
    int a = 2;
    printf("a = %d\n", a);
    if (a < 5) {
        printf("a = %d\n", a);
        int a = 3;
        printf("a = %d\n", a);
    }
    printf("a = %d\n", a);
    return 0;
}

上述代码的输出结果如下：

形式化地讲，我们将内层作用域记为 $[S_{in},\ T_{in}]$ ，将外层作用域记为 $[S_{out},\ T_{out}]$ ，区间的起始点均为程序语句，其前后顺序为 $S_{out},\ S_{in},\ T_{in},\ T_{out}$ 。同时，我们假设更外层的作用域中不存在其它同名的标识符。

对于两个重名的标识符 $I_{in} \in [S_{in},\ T_{in}]$ 和 $I_{out} \in [S_{out},\ S_{in}]$ ，有：

在区域 $[I_{out},\ I_{in})$ 内，通过名称 $I$ 将访问到 $I_{out}$ 。
在区域 $[I_{in},\ T_{in}]$ 内，通过名称 $I$ 将访问到 $I_{in}$ 。
在区域 $(T_{in},\ T_{out}]$ 内，通过名称 $I$ 将访问到 $I_{out}$ 。

函数作用域

函数作用域 (function scope) 是专门针对程序中的 标签 (label) 标识符而设置的，也就是专用于 goto 语法。

与块级作用域和文件作用域不同，函数作用域并非从标签的声明开始可见，而是在标签所处的函数中的任意位置可见。这也符合我们对 goto 语法用法的认知。

生命周期

基本概念

变量的 storage duration ，即变量从被创建（被分配内存）到被销毁（内存被回收）的起止时间，决定了变量的生命周期。

变量的 生命周期 (lifetime) 指的是程序执行过程中的一段时间区间，在此期间内，C 标准保证为其保留存储空间。如果变量在其生命周期之外被访问，则会触发未定义行为。

int * f(void) {
    int x = 1;
    return &x;
}
int main(void) {
    int * p = f();
    int x = *p; // undefined behaviour
    return 0;
}

另外，在变量的生命周期结束后，其原先所处的内存地址可能会被分配给其它新的变量，因此如果仍有指针指向这样的变量，对该指针解引用可能会“合法地”访问到其它变量，使程序行为变得难以预测。

根据变量的生命周期，可以将 C 程序中定义的各种变量分为三大类：

静态变量 (static variables) 通常在程序的初始化阶段分配好内存，并在程序的整个生命周期内持续存在，包括全局变量、静态变量和字符串常量等；
自动变量 (automatic variables) 随着函数调用自动地分配，并随着函数返回自动地被回收，包括非静态局部变量等；
动态变量 (dynamic variables) 亦称为 allocated variables ，由动态内存管理函数手动地分配和回收。

有关动态变量的更多内容，详见 Basics #08: Dynamic Memory Allocation 。

静态变量术语的二义性

值得注意的是，在 C 语言中，静态变量 (static variables) 这一术语有两个容易混淆的不同含义：

与整个程序具有相同生命周期的变量。
使用 static 声明的变量。

这两个含义并不相同，例如声明为 extern 的一般全局变量仅满足第一个定义，而声明在函数体内的 static 变量仅满足第二个定义。因此读者在遇到静态变量这一术语时需要谨慎地辨认。

生命周期与作用域

生命周期与作用域是两个相似但完全不同的概念。一方面，只有具有内存实体的变量才有生命周期的概念，而各类标识符（包括变量、函数声明、标签等）都有作用域的概念；另一方面，即便仅考虑变量，生命周期和作用域也并不等价。

这里即便暂时不能完全理解也没有问题，随着读者的深入学习，在对 C 程序的内存布局等进阶内容有所了解后，就能很轻松地彻底吃透生命周期的概念了。

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