C++ : static, extern前綴意義 (2)


Posted by Kled on 2021-12-13

此篇文章參考C/C++ 中的 static, extern 的變數

一般的編譯過程(gcc)是長下面的樣子的
Compiler process

我們人類用高階語言撰寫了各種 source file,也就是各種的 .h 和 .cpp 檔
然後每個獨立的 .h 和 .cpp 檔都應該要可以各自被 compile 成 .o 檔而不報錯

也就是說下列的問題可以被檢查出來:

  1. 語法錯誤
  2. 不存在或沒宣告過的變數,如果有變數是透過 include 而來的,在檢查過程中也會去參考其他有 include 到的檔案該變數是否被宣告過
  3. 變數型態錯誤

Compiler範例

假設現在有三個檔案main.cpp, module1.h, module1.cpp
main.cpp

#include <iostream>
#include "module1.h"
using namespace std;
int main() {
    greeting();
    return 0;
}

module1.h

#ifndef MODULE_1_H
#define MODULE_1_H
void greeting();
#endif

module1.cpp

#include <iostream>
#include "module1.h"
using namespace std;
void greeting() {
    cout << "Hello World!" << endl;
}

從上面例子我們可以看到 greeting() 這個 function 在 module1.h 檔案裡面只有 function signature, 但沒有實作的部分,但是我們可以使用 g++ 的-c針對 main.cpp 先進行 compile:
g++ -c main.cpp
此時是可以成功產出一個 main.o 這個中間過程檔的。同樣的,我們一樣可以對 module1.cpp 進行 compile:
g++ -c module1.cpp
此時也可以產出一個中間過程檔 module1.o。最後我們只要把兩個 .o 檔 Link 在一起-o,就可以產出一個能運行的 exectuable file:
g++ -o main main.o module1.o

從上面這個例子我們也可以看出,有一些東西即使沒把實作寫出來,每個獨立的 .cpp 檔都應該要可以被 compile 成 .o 檔,因為在 coimplie 成 .o 檔的過程中要的只有定義而已。從這裡我們也可以了解一件事,就是在 Link 的過程中兩個 .o 檔才有了互動,此時也會有更進一步的檢查。而這些繁瑣的步驟,就是 IDE 幫我們處理掉的部分。

extern

現在我們知道每個 .cpp 檔都可以獨自被 compile,假如今天我們有一個變數要在多個檔案之間共用,該怎麼處理呢? 這就是 extern 的作用。extern 告訴 compiler 這個變數的存在,但是並不是由這個這個檔案做宣告。我們沿用上一個範例,加入更多的東西

main.cpp

#include <iostream>
#include "module1.h"
using namespace std;
int main() {
    greeting();
    cout << "In main, a = " << a << endl;
    a = 0;
    cout << "In main, a = " << a << endl;
    return 0;
}

module1.h

#ifndef MODULE_1_H
#define MODULE_1_H
extern int a;
void greeting();
#endif

module1.cpp

#include <iostream>
#include "module1.h"
using namespace std;
int a = 1;
void greeting() {
    cout << "Hello World!" << endl;
    cout << "In greeting, a = " << a << endl;
}

我們增加了一個變數 a,在 module1.h 檔中有 extern int a,我們很清楚的告訴了會 include module1.h 的人,這個模組裡面有一個 int a 變數可以用,但是這個變數的宣告並不在此,而是有某個 include 了 module1.h 的人會去做宣告,這個工作在這裡我們讓 module1.cpp 做。同時我們也修改了 greeting,會把變數 a 的值印出來。在 main 裡面我們也可以取用變數 a。實際運行一次以後可以得到如下輸出:

Hello World!
In greeting, a = 1
In main, a = 1
In main, a = 0
Hello World!
In greeting, a = 0

同時我們可以看到在 main 裡面看到的 a 跟在 module1.cpp 裡面看到的 a 是同一個,因此在 main 裡面修改 a 的值,module1 裡面拿到的 a 也就改變了

static

看完了 extern,接下來就要來解釋 static 了。相比之下 extern 算是很好理解的了,static 則比較混亂一點。static 之所以混亂,是因為他出現在不同地方,他的意義就會不同,也就是說 static 會被 overload,但每個單獨的定義其實也都很好了解。在 C 裡面因為沒有 class,所以 static 只會有兩種定義,而在 C++ 中因為多了 class,所以會再多兩種定義

static 的意義就是 “被修飾的東西,會從程式一開始執行就存在,且不會因為離開 scope 就消失,會一直存在到程式結束”。 static 出現在哪裏及用什麼定義如下:

  • static 出現在 variable 之前,且該 variable 宣告在某個 function 之中 (C/C++)
  • static 出現在 variable 之前,且該 variable 並不是宣告在某個 function 中(C/C++)
  • static 出現在 class 的 member variable 之前 (C++ only)
  • static 出現在 class 的 member function 之前 (C++ only)

1. static 出現在 variable 之前,且該 variable 宣告在某個 function 之中

這個算是非常好理解的,一般我們寫 funcion 時,裡面宣告的變數在 funcion 結束之時也會跟著消失。但如果我們在某個變數之前加上 static,該變數就不會因為 function 結束而消失。最經典的例子大概就是要計算這個 function 被呼叫幾次

void greeting() {
    static int counter = 0;
    ++counter;
    cout << "Greeting function has been called " 
         << counter << "times" << endl;
}

2. static 出現在variable 之前, 且該variable不是宣告在某個function中

在我們解釋 extern 的範例中,我們會遇到變數在不同檔案中要共用,只要 include 某個檔案以後,就可以使用其中的變數。但這會導致一個比較麻煩的問題,假設今天有兩個檔案 a.cpp 和 b.cpp ,各自有各自的 .h 檔。a.cpp include 了 b.h,但 a.cpp 跟 b.cpp 裡面各自宣告了一個在 function 外 的 bool debug 的變數,分別是用來啟動或關閉 a 和 b 的 debug 功能。兩個 compile 後的 .o 檔在 link 的過程中就會因為名字相同而產生衝突的錯誤。對存在在 funciton 外的變數來說,基本上都是 global variable,static 的用意就是要讓這樣的 global 只限定在該檔案內,而不是整個程式中。因此,如果我們把 a.cpp 和 b.cpp 中的 debug 在宣告時前面都加上 static,這樣 compiler 在處理前期替換掉的名字就會不同,因此 link 的過程中也不會有名字衝突的問題。

為什麼要這麼麻煩不直接 include a.cpp 和 b.cpp 呢?

這是因為如果 include 某個檔案後,裡面所有的東西對於 include 的人就通通都看得到了,也因此如果直接 include a.cpp 和 b.cpp,對於 main.cpp 來說,他就看到有兩個地方都宣告了 debug 這個變數,所以 compile 的時候直接就會被檢查到而失敗。

我只能 include .h 檔,又沒有 include .cpp 檔,那 main.cpp 不就還是沒看到兩個 cpp 裡的 debug,那為什麼還要用 static 呢?

這是因為如果沒寫 static,則在 -c 這個 compile 的過程中產生的 .o 檔裡面會帶有這個檔案轉化後的資訊,而所有不在 function 等等 scope 的變數通通會被視為是 global variable。在把 main.o, a.o 和 b.o link 的過程中,compiler 看到 a.o 和 b.o 裡面都有一個 debug 的變數,就會報錯了。

3. static出現在class的member variable之前

static 出現在 class 的 member variable 的意思是該 variable 並不屬於某個 instance,他屬於這個 class,所有以此 class 生成出來的 instance 都共用這個 variable。最經典的範例就是用來計數這個 class 總共生成了多少個 instance

4. static 出現在 class 的 member function 之前

static 出現在 member function 的意思是該 function 並不屬於某個 instance,他也屬於這個 class,所有以此 class 生成出來的 instance 都共用這個 function。也因此,即便我們沒有產生 instance 出來,我們也隨時可以取用這個 function

所以如果今天想定義全域變數應該怎麼做?

如果直接將全域變數定義在preheader.h裡面的話, 會發生重複引用的編譯錯誤
所以如果想定義全域變數的話可以採用下面兩種方式

  1. 透過一個preheader.h裡面extern int a;, 並且透過一個.cpp實作這個int a = 0;, 全部的人都要引用這個header #include "preheader.h"
  2. 透過將preheader.h裡面static int a;, 如此一來即使重複引用, 因為static的前綴會讓編譯器知道 a 變數是屬於preheader.h, 如此就不會有重複定義的問題了

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