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C 语言允许声明变量的时候,加上一些特定的说明符(specifier),为编译器提供变量行为的额外信息。它的主要作用是帮助编译器优化代码,有时会对程序行为产生影响。
1.const
const
说明符表示变量是只读的,不得被修改。
const double PI = 3.14159;
PI = 3; // 报错
上面示例里面的const
,表示变量PI
的值不应改变。如果改变的话,编译器会报错。
对于数组,const
表示数组成员不能修改。
const int arr[] = {1, 2, 3, 4};
arr[0] = 5; // 报错
上面示例中,const
使得数组arr
的成员无法修改。
对于指针变量,const
有两种写法,含义是不一样的。如果const
在*
前面,表示指针指向的值不可修改。
// const 表示指向的值 *x 不能修改
int const * x
// 或者
const int * x
下面示例中,对x
指向的值进行修改导致报错。
int p = 1
const int* x = &p;
(*x)++; // 报错
如果const
在*
后面,表示指针包含的地址不可修改。
// const 表示地址 x 不能修改
int* const x
下面示例中,对x
进行修改导致报错。
int p = 1
int* const x = &p;
x++; // 报错
这两者可以结合起来。
const char* const x;
上面示例中,指针变量x
指向一个字符串。两个const
意味着,x
包含的内存地址以及x
指向的字符串,都不能修改。
const
的一个用途,就是防止函数体内修改函数参数。如果某个参数在函数体内不会被修改,可以在函数声明时,对该参数添加const
说明符。这样的话,使用这个函数的人看到原型里面的const
,就知道调用函数前后,参数数组保持不变。
void find(const int* arr, int n);
上面示例中,函数find
的参数数组arr
有const
说明符,就说明该数组在函数内部将保持不变。
有一种情况需要注意,如果一个指针变量指向const
变量,那么该指针变量也不应该被修改。
const int i = 1;
int* j = &i;
*j = 2; // 报错
上面示例中,j
是一个指针变量,指向变量i
,即j
和i
指向同一个地址。j
本身没有const
说明符,但是i
有。这种情况下,j
指向的值也不能被修改。
2.static
static
说明符对于全局变量和局部变量有不同的含义。
(1)用于局部变量(位于块作用域内部)。
static
用于函数内部声明的局部变量时,表示该变量的值会在函数每次执行后得到保留,下次执行时不会进行初始化,就类似于一个只用于函数内部的全局变量。由于不必每次执行函数时,都对该变量进行初始化,这样可以提高函数的执行速度,详见《函数》一章。
(2)用于全局变量(位于块作用域外部)。
static
用于函数外部声明的全局变量时,表示该变量只用于当前文件,其他源码文件不可以引用该变量,即该变量不会被链接(link)。
static
修饰的变量,初始化时,值不能等于变量,必须是常量。
int n = 10;
static m = n; // 报错
上面示例中,变量m
有static
修饰,它的值如果等于变量n
,就会报错,必须等于常量。
只在当前文件里面使用的函数,也可以声明为static
,表明该函数只在当前文件使用,其他文件可以定义同名函数。
static int g(int i);
3.auto
auto
说明符表示该变量的存储,由编译器自主分配内存空间,且只存在于定义时所在的作用域,退出作用域时会自动释放。
由于只要不是extern
的变量(外部变量),都是由编译器自主分配内存空间的,这属于默认行为,所以该说明符没有实际作用,一般都省略不写。
auto int a;
// 等同于
int a;
4.extern
extern
说明符表示,该变量在其他文件里面声明,没有必要在当前文件里面为它分配空间。通常用来表示,该变量是多个文件共享的。
extern int a;
上面代码中,a
是extern
变量,表示该变量在其他文件里面定义和初始化,当前文件不必为它分配存储空间。
但是,变量声明时,同时进行初始化,extern
就会无效。
// extern 无效
extern int i = 0;
// 等同于
int i = 0;
上面代码中,extern
对变量初始化的声明是无效的。这是为了防止多个extern
对同一个变量进行多次初始化。
函数内部使用extern
声明变量,就相当于该变量是静态存储,每次执行时都要从外部获取它的值。
函数本身默认是extern
,即该函数可以被外部文件共享,通常省略extern
不写。如果只希望函数在当前文件可用,那就需要在函数前面加上static
。
extern int f(int i);
// 等同于
int f(int i);
5.register
register
说明符向编译器表示,该变量是经常使用的,应该提供最快的读取速度,所以应该放进寄存器。但是,编译器可以忽略这个说明符,不一定按照这个指示行事。
register int a;
上面示例中,register
提示编译器,变量a
会经常用到,要为它提供最快的读取速度。
register
只对声明在代码块内部的变量有效。
设为register
的变量,不能获取它的地址。
register int a;
int *p = &a; // 编译器报错
上面示例中,&a
会报错,因为变量a
可能放在寄存器里面,无法获取内存地址。
如果数组设为register
,也不能获取整个数组或任一个数组成员的地址。
register int a[] = {11, 22, 33, 44, 55};
int p = a; // 报错
int a = *(a + 2); // 报错
历史上,CPU 内部的缓存,称为寄存器(register)。与内存相比,寄存器的访问速度快得多,所以使用它们可以提高速度。但是它们不在内存之中,所以没有内存地址,这就是为什么不能获取指向它们的指针地址。现代编译器已经有巨大的进步,会尽可能优化代码,按照自己的规则决定怎么利用好寄存器,取得最佳的执行速度,所以可能会忽视代码里面的register
说明符,不保证一定会把这些变量放到寄存器。
6.volatile
volatile
说明符表示所声明的变量,可能会预想不到地发生变化(即其他程序可能会更改它的值),不受当前程序控制,因此编译器不要对这类变量进行优化,每次使用时都应该查询一下它的值。硬件设备的编程中,这个说明符很常用。
volatile int foo;
volatile int* bar;
volatile
的目的是阻止编译器对变量行为进行优化,请看下面的例子。
int foo = x;
// 其他语句,假设没有改变 x 的值
int bar = x;
上面代码中,由于变量foo
和bar
都等于x
,而且x
的值也没有发生变化,所以编译器可能会把x
放入缓存,直接从缓存读取值(而不是从 x 的原始内存位置读取),然后对foo
和bar
进行赋值。如果x
被设定为volatile
,编译器就不会把它放入缓存,每次都从原始位置去取x
的值,因为在两次读取之间,其他程序可能会改变x
。
7.restrict
restrict
说明符允许编译器优化某些代码。它只能用于指针,表明该指针是访问数据的唯一方式。
int* restrict pt = (int*) malloc(10 * sizeof(int));
上面示例中,restrict
表示变量pt
是访问 malloc 所分配内存的唯一方式。
下面例子的变量foo
,就不能使用restrict
修饰符。
int foo[10];
int* bar = foo;
上面示例中,变量foo
指向的内存,可以用foo
访问,也可以用bar
访问,因此就不能将foo
设为 restrict。
如果编译器知道某块内存只能用一个方式访问,可能可以更好地优化代码,因为不用担心其他地方会修改值。
restrict
用于函数参数时,表示参数的内存地址之间没有重叠。
void swap(int* restrict a, int* restrict b) {
int t;
t = *a;
*a = *b;
*b = t;
}
上面示例中,函数参数声明里的restrict
表示,参数a
和参数b
的内存地址没有重叠。