C/C++ static 关键字

旧城等待， 2022-11-05 09:57 155阅读 0赞

# **C/C++ static 关键字** #

C/C++ 中的 static 关键字用来控制变量的存储方式和可见性。

在函数内部定义的变量，当程序执行到它的定义处时，编译器为它在栈上分配空间。函数在栈上分配的空间在此函数执行结束时会释放掉。

在 C++ 中，需要一个数据对象为整个类而非某个对象服务，同时又不破坏类的封装性。要求成员隐藏在类的内部，对外不可见时，可将其定义为静态数据。

## 1. 静态数据的存储 ##

全局 (静态) 存储区分为 `DATA` 段和 `BSS` 段。`DATA` 段 (全局初始化区) 存放初始化的全局变量和静态变量，`BSS` 段 (全局未初始化区) 存放未初始化的全局变量和静态变量。程序运行结束时自动释放，其中 `BBS` 段在程序执行之前会被系统自动清 0，所以未初始化的全局变量和静态变量在程序执行之前已经为 0。存储在静态数据区的变量会在程序刚开始运行时就完成初始化，也是唯一的一次初始化。

## 2. 在 C/C++ 中 static 的作用 ##

static 修饰的局部变量，只执行初始化一次，延长了局部变量的生命周期，直到程序运行结束以后才释放。

static 修饰的全局变量，只能在本文件中访问，不能在其它文件中访问，即便是 extern 外部声明也不可以。

static 修饰的函数，只能在本文件中调用，不能被其他文件调用。

static 修饰的变量存放在全局数据区的静态变量区。全局静态变量和局部静态变量，都在全局数据区分配内存。初始化的时候自动初始化为 0。

考虑到数据安全性，当使用全局变量的时候应该先考虑使用 static。

**全局变量是不显式用 static 修饰的全局变量，全局变量默认是有外部链接性的，作用域是整个工程。在一个文件内定义的全局变量，在另一个文件中，通过 extern 全局变量名的声明，就可以使用全局变量。**

**全局静态变量是显式用 static 修饰的全局变量，作用域是声明此变量所在的文件，其他的文件即使用 extern 声明也不能使用。**

### 2.1 静态全局变量 ###

静态变量都在全局数据区分配内存，包括静态局部变量和静态全局变量。

未经初始化的静态全局变量会被程序自动初始化为 0 (在函数体内声明的自动变量的值是随机的，除非显式初始化它，而在函数体外声明的自动变量也会被初始化为 0)。

静态全局变量在声明它的整个文件都是可见的，而在文件之外是不可见的。

静态全局变量不能被其它文件所用，其它文件中可以定义相同名字的变量，不会发生冲突。

### 2.2 静态局部变量 ###

静态局部变量在全局数据区分配内存。

静态局部变量在程序执行到该对象的声明处时被首次初始化，以后的函数调用不再进行初始化。

静态局部变量一般在声明处初始化，如果没有显式初始化，会被程序自动初始化为 0。

**静态局部变量始终驻留在全局数据区，直到程序运行结束。但其作用域为局部作用域，当定义它的函数或语句块结束时，其作用域随之结束。**

一般程序把新产生的动态数据存放在堆区，函数内部的自动变量存放在栈区。自动变量一般会随着函数的退出而释放空间，静态数据包括函数内部的静态局部变量也存放在全局数据区。全局数据区的数据并不会因为函数的退出而释放空间。

在 C++ 中的 static 的静态数据成员要在程序一开始运行时就必须存在。因为函数在程序运行中被调用，所以静态数据成员不能在任何函数内分配空间和初始化。静态数据成员要实际地分配空间，不能在类的声明中定义。类声明只声明一个类的`尺寸和规格`，并不进行实际的内存分配，所以在类声明中写成定义是错误的。它也不能在头文件中类声明的外部定义，因为那会造成在多个使用该类的源文件中，对其重复定义。

static 被引入以告知编译器，将变量存储在程序的静态存储区而非栈上空间，静态数据成员按定义出现的先后顺序依次初始化，注意静态成员嵌套时，要保证所嵌套的成员已经初始化了。消除时的顺序是初始化的反顺序。

可以节省内存，因为它是所有对象所公有的，对多个对象来说，静态数据成员只存储一处，供所有对象共用。静态数据成员的值对每个对象都是一样，但它的值是可以更新的。只要对静态数据成员的值更新一次，保证所有对象存取更新后的相同的值，这样可以提高时间效率。

## 3. C++ static 关键字 - 静态成员变量和静态成员函数 ##

1.  被 static 修饰的类变量，可以通过`类名::变量名`直接调用。
2.  被 static 修饰的类方法，可以通过`类名::方法名`直接调用。

**static 修饰类的成员变量，是静态成员变量，只能在类外初始化，初始化时不添加 static 关键字。在类体外的函数定义不能指定关键字 static。**

#### a. 可以通过类名调用类的静态成员函数，不能通过类名调用类的非静态成员函数。 ####

`illegal call of non-static member function`

1>------ Rebuild All started: Project: hash_table, Configuration: Debug Win32 ------
    1>  yongqiang.cpp
    1>d:\visual_studio_workspace\hash_table\hash_table\yongqiang.cpp(40): error C2352: 'Yongqiang::display_1': illegal call of non-static member function
    1>  d:\visual_studio_workspace\hash_table\hash_table\yongqiang.cpp(22): note: see declaration of 'Yongqiang::display_1'
    ========== Rebuild All: 0 succeeded, 1 failed, 0 skipped ==========

#### b. 类的对象可以调用静态成员函数和非静态成员函数。 ####

Yongqiang::display_1
    Yongqiang::display_2
    请按任意键继续. . .

#### c. 类的静态成员函数中不能调用非静态成员。 ####

静态成员函数属于整个类，在类实例化对象之前就已经分配空间了。类的非静态成员必须在类实例化对象后才有内存空间。

//============================================================================
    // Name        : Yongqiang Cheng
    // Author      : Yongqiang Cheng
    // Version     : Version 1.0.0
    // Copyright   : Copyright (c) 2020 Yongqiang Cheng
    // Description : Hello World in C++, Ansi-style
    //============================================================================
    
    #ifndef _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
    #define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
    #endif
    
    #include <iostream>
    
    class Yongqiang
    {
    public:
    	Yongqiang() {};
    
    	~Yongqiang() {};
    
    	void display_1()
    	{
    		std::cout << "Yongqiang::display_1" << std::endl;
    	}
    
    	static void display_2()
    	{
    		std::cout << "Yongqiang::display_2" << std::endl;
    		std::cout << age << std::endl;
    	}
    
    	void display_3()
    	{
    		std::cout << "Yongqiang::display_3" << std::endl;
    	}
    private:
    	int age;
    };
    
    int main()
    {
    	Yongqiang yongqiang;
    	yongqiang.display_1();
    	yongqiang.display_2();
    
    	return 0;
    }

1>------ Build started: Project: hash_table, Configuration: Debug Win32 ------
    1>  yongqiang.cpp
    1>d:\visual_studio_workspace\hash_table\hash_table\yongqiang.cpp(30): error C2597: illegal reference to non-static member 'Yongqiang::age'
    ========== Build: 0 succeeded, 1 failed, 0 up-to-date, 0 skipped ==========

#### d. 类的非静态成员函数可以调用类的静态成员函数。 ####

//============================================================================
    // Name        : Yongqiang Cheng
    // Author      : Yongqiang Cheng
    // Version     : Version 1.0.0
    // Copyright   : Copyright (c) 2020 Yongqiang Cheng
    // Description : Hello World in C++, Ansi-style
    //============================================================================
    
    #ifndef _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
    #define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
    #endif
    
    #include <iostream>
    
    class Yongqiang
    {
    public:
    	Yongqiang() {};
    
    	~Yongqiang() {};
    
    	void display_1()
    	{
    		std::cout << "Yongqiang::display_1" << std::endl;
    		display_2();
    	}
    
    	static void display_2()
    	{
    		std::cout << "Yongqiang::display_2" << std::endl;
    	}
    
    	void display_3()
    	{
    		std::cout << "Yongqiang::display_3" << std::endl;
    	}
    private:
    	int age;
    };
    
    int main()
    {
    	Yongqiang yongqiang;
    	yongqiang.display_1();
    	yongqiang.display_2();
    
    	return 0;
    }

Yongqiang::display_1
    Yongqiang::display_2
    Yongqiang::display_2
    请按任意键继续. . .

#### e. 类的静态成员变量使用前必须先初始化。 ####

//============================================================================
    // Name        : Yongqiang Cheng
    // Author      : Yongqiang Cheng
    // Version     : Version 1.0.0
    // Copyright   : Copyright (c) 2020 Yongqiang Cheng
    // Description : Hello World in C++, Ansi-style
    //============================================================================
    
    #ifndef _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
    #define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
    #endif
    
    #include <iostream>
    
    class Yongqiang
    {
    public:
    	Yongqiang() {
    		++age;
    		std::cout << age << std::endl << std::endl;
    	};
    
    	~Yongqiang() {
    		++age;
    		std::cout << age << std::endl << std::endl;
    	};
    
    	void display_1()
    	{
    		++age;
    		std::cout << "Yongqiang::display_1" << std::endl;
    		std::cout << age << std::endl << std::endl;
    	}
    
    	static void display_2()
    	{
    		++age;
    		std::cout << "Yongqiang::display_2" << std::endl;
    		std::cout << age << std::endl << std::endl;
    	}
    
    	void display_3()
    	{
    		++age;
    		std::cout << "Yongqiang::display_3" << std::endl;
    		std::cout << age << std::endl << std::endl;
    	}
    private:
    	static int age;
    };
    
    // 类外初始化静态成员变量时，不带 static 关键字。
    int Yongqiang::age = 1;
    
    int main()
    {
    	Yongqiang yongqiang;
    	yongqiang.display_1();
    	yongqiang.display_2();
    	yongqiang.display_3();
    
    	return 0;
    }

2
    
    Yongqiang::display_1
    3
    
    Yongqiang::display_2
    4
    
    Yongqiang::display_3
    5
    
    6
    
    请按任意键继续. . .

static 修饰的类变量、static 修饰的类方法属于类的静态资源，是类实例之间共享的，一处变、处处变。在类中，static 可以用来修饰静态数据成员和静态函数成员。

在 C++ 中，静态成员是属于整个类的而不是某个对象，静态成员变量只存储一份供所有对象共用。所以在所有对象中都可以共享它。使用静态成员变量实现多个对象之间的数据共享不会破坏隐藏的原则，保证了安全性还可以节省内存。

静态成员的定义或声明要加关键 static 关键字。静态成员可以通过双冒号来使用 `<类名>::<静态成员名>`。

*  不能通过类名来调用类的非静态成员函数。
 *  通过类的对象调用静态成员函数和非静态成员函数，类的对象可以使用静态成员函数和非静态成员函数。
 *  静态成员函数中不能引用非静态成员，在类的静态成员函数中不能使用类的非静态成员。静态成员函数属于整个类，在类实例化对象之前就已经分配空间了，而类的非静态成员必须在类实例化对象后才有内存空间。
 *  类的非静态成员函数可以调用静态成员函数，但反之不能。
 *  类的静态成员变量必须先初始化再使用。

静态资源属于类，但是独立于类存在。静态资源是类初始化的时候加载的，而非静态资源是类实例化对象的时候加载的。类的初始化早于类实例化对象，初始化一个类，但是并没有实例化对象，只是加载这个类的静态资源。对于静态资源来说，它是不可能知道一个类中有哪些非静态资源的。对于非静态资源来说，它是实例化对象出来之后产生的，因此属于类的这些东西它都能认识。

*  静态方法不能引用非静态资源，实例化对象的时候才会产生的东西，对于初始化后就存在的静态资源来说，根本不认识它。静态成员函数中不能调用非静态成员。
 *  静态方法里面可以引用静态资源，因为都是类初始化的时候加载的。
 *  非静态方法里面可以引用静态资源，非静态方法就是实例方法，那是实例化对象之后才产生的，那么属于类的内容它都认识。非静态成员函数中可以调用静态成员。因为静态成员属于类本身，在类的对象产生之前就已经存在了，所以在非静态成员函数中是可以调用静态成员的。
 *  静态成员变量使用前必须先初始化，否则会在 linker 时出错。

如果 static 要修饰一个类，说明这个类是一个静态内部类 (注意 static 只能修饰一个内部类)，就是匿名内部类。

### 3.1 静态数据成员 ###

*  静态数据成员可以实现多个对象之间的数据共享，它是类的所有对象的共享成员，它在内存中只占一份空间。如果改变它的值，则各对象中这个数据成员的值都被改变。
 *  静态数据成员是在程序开始运行时被分配空间，到程序结束之后才释放，只要类中指定了静态数据成员，即使不定义对象，也会为静态数据成员分配空间。
 *  静态数据成员可以被初始化，但是只能在类体外进行初始化，若未对静态数据成员赋初值，则编译器会自动为其初始化为 0。
 *  静态数据成员既可以通过对象名引用，也可以通过类名引用。

### 3.2 静态函数成员 ###

*  静态成员函数和静态数据成员一样，他们都属于类的静态成员，而不是对象成员。
 *  非静态成员函数有 this 指针，而静态成员函数没有 this 指针。
 *  静态成员函数可以访问静态数据成员而不能访问非静态成员。

### 3.3 Example ###

全部类对象共享一个 static 类成员，static 类数据必须要在类外进行初始化。**static 修饰的变量先于对象存在，所以 static 修饰的变量要在类外初始化。**

static 修饰的类成员属于类，不属于对象，因此 static 类成员函数是没有 this 指针的，this 指针是指向本对象的指针。因为没有 this 指针，所以 static 类成员函数不能访问非 static 的类成员，只能访问 static 修饰的类成员。

/home/yongqiang/CLionProjects/hash_table/cmake-build-debug/hash_table
    9
    Hello, World!
    
    
    Process finished with exit code 0

/home/yongqiang/CLionProjects/hash_table/cmake-build-debug/hash_table
    9
    9
    9
    16
    16
    16
    Hello, World!
    
    
    Process finished with exit code 0

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NoZW5neXExMTY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

### 3.4 Example ###

1.  静态成员函数的目的是操作静态成员数据。
2.  静态成员函数不能访问非静态成员数据，静态成员函数内部没有 this 指针。
3.  普通成员函数可以操作静态成员数据和非静态成员数据。

如果一个类的成员，既要实现共享，又要实现不可改变，那就用 static const 修饰。

this 指针是隐含在对象成员函数内的一种指针，成员函数通过 this 指针可以知道操作的是哪个对象的数据。静态成员函数内部没有 this 指针，静态成员函数不能操作非静态成员变量，静态成员函数是属于类，函数内部没有 this 指针。当形参和成员变量同名时，可用 this 指针来区分。

C++ 的封装是将数据和方法封装在一起，数据和方法是分开存储。每个对象拥有独立的数据，每个对象共享同一个方法。

## References ##

[https://www.runoob.com/cplusplus/cpp-tutorial.html][https_www.runoob.com_cplusplus_cpp-tutorial.html]  
[https://www.runoob.com/w3cnote/cpp-static-usage.html][https_www.runoob.com_w3cnote_cpp-static-usage.html]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NoZW5neXExMTY_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221023/7191cc20af264e518d6163444e89342e.png
[https_www.runoob.com_cplusplus_cpp-tutorial.html]: https://www.runoob.com/cplusplus/cpp-tutorial.html
[https_www.runoob.com_w3cnote_cpp-static-usage.html]: https://www.runoob.com/w3cnote/cpp-static-usage.html