一字千金：C語(yǔ)言中的 static：一個(gè)關(guān)鍵字，三種超能力 !
嘿，各位編程小伙伴們！我是小康。
今天咱們來(lái)聊一個(gè)看起來(lái)普普通通，用起來(lái)卻異常強(qiáng)大的 C 語(yǔ)言關(guān)鍵字——static。它就像是代碼中的"隱形斗篷"，神不知鬼不覺(jué)地改變著你程序的行為。
很多初學(xué)者對(duì)它一知半解，要么不敢用，要么用錯(cuò)了還不知道為啥。今天我就用大白話幫你徹底搞懂它！
一、static 是啥玩意兒？不就是個(gè)關(guān)鍵字嗎？
別小看這個(gè)小小的關(guān)鍵字，它可是 C 語(yǔ)言中的多面手！根據(jù)不同的使用場(chǎng)景，static 有著完全不同的功能：
- 用在 局部變量 前面：讓變量擁有"記憶力"
- 用在 全局變量/函數(shù) 前面：讓它們變得"害羞"（只在本文件可見(jiàn)）
- 用在 類(lèi)/結(jié)構(gòu)體成員 前面：讓所有對(duì)象共享一個(gè)變量
好家伙，一個(gè)詞能干三種活，難怪很多人搞不明白！但別擔(dān)心，我們一個(gè)一個(gè)來(lái)解釋?zhuān)ＷC你能徹底搞懂！
二、場(chǎng)景一：給局部變量加上"記憶力"
平常我們定義的局部變量，函數(shù)調(diào)用結(jié)束后就"揮手告別"了，下次再調(diào)用函數(shù)時(shí)，變量又會(huì)重新初始化。但加上 static 后，這個(gè)變量就有了"記憶力"，能夠記住上次函數(shù)調(diào)用后的值！
看個(gè)例子就明白了：
#include <stdio.h>
// 沒(méi)有static的普通函數(shù)
void normalCounter() {
int count = 0; // 每次調(diào)用都會(huì)重置為0
count++;
printf("普通計(jì)數(shù)器：%d\n", count);
}
// 使用static的函數(shù)
void staticCounter() {
staticint count = 0; // 只在第一次調(diào)用時(shí)初始化為0
count++; // 以后每次調(diào)用都在上次的基礎(chǔ)上+1
printf("static計(jì)數(shù)器：%d\n", count);
}
int main() {
// 調(diào)用3次看看效果
for (int i = 0; i < 3; i++) {
normalCounter();
staticCounter();
printf("-------------------\n");
}
return0;
}運(yùn)行結(jié)果：
普通計(jì)數(shù)器：1
static計(jì)數(shù)器：1
-------------------
普通計(jì)數(shù)器：1
static計(jì)數(shù)器：2
-------------------
普通計(jì)數(shù)器：1
static計(jì)數(shù)器：3
-------------------看到差別了嗎？沒(méi)加 static 的count，每次都是從 0 開(kāi)始，加 1 后變成 1；而加了 static 的count，第一次是1，第二次是 2，第三次是 3，它記住了自己上次的值！
這有啥用？想想以下場(chǎng)景：
- 需要記錄函數(shù)被調(diào)用了多少次
- 需要緩存計(jì)算結(jié)果，避免重復(fù)計(jì)算
- 需要檢測(cè)是否是第一次調(diào)用函數(shù)
static 局部變量的特點(diǎn)：
- 值會(huì)保留：函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，變量的值不會(huì)消失
- 只初始化一次：static int x = 10; 這個(gè)初始化只會(huì)在程序第一次執(zhí)行到這句話時(shí)進(jìn)行
- 內(nèi)存位置：放在靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)，而不是棧上
- 默認(rèn)值為0：如果不初始化，自動(dòng)設(shè)為 0（普通局部變量不初始化則是隨機(jī)值）
三、場(chǎng)景二：讓全局變量/函數(shù)變"害羞"（限制可見(jiàn)性）
在沒(méi)有 static 的情況下，一個(gè) C 文件（也叫翻譯單元）中定義的全局變量和函數(shù)，默認(rèn)對(duì)其他文件也是可見(jiàn)的。但有時(shí)候，我們希望某些函數(shù)和變量是"內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)"，不想讓其他文件看到和使用。
這時(shí)候，static 就派上用場(chǎng)了！它能讓全局變量和函數(shù)變得"害羞"起來(lái)，只在定義它的文件內(nèi)可見(jiàn)。
假設(shè)我們有兩個(gè)文件：
- file1.c
#include <stdio.h>
// 普通全局變量：其他文件可以訪問(wèn)
int globalCounter = 0;
// static全局變量：只有本文件能訪問(wèn)
staticint privateCounter = 0;
// 普通函數(shù)：其他文件可以調(diào)用
void increaseGlobal() {
globalCounter++;
printf("全局計(jì)數(shù)器：%d\n", globalCounter);
}
// static函數(shù)：只有本文件能調(diào)用
static void increasePrivate() {
privateCounter++;
printf("私有計(jì)數(shù)器：%d\n", privateCounter);
}
// 公開(kāi)函數(shù)，內(nèi)部使用私有計(jì)數(shù)器
void accessPrivate() {
increasePrivate(); // 可以調(diào)用static函數(shù)
printf("通過(guò)接口訪問(wèn)私有計(jì)數(shù)器\n");
}- file2.c
#include <stdio.h>
// 聲明外部全局變量
externint globalCounter;
// 無(wú)法訪問(wèn)privateCounter，因?yàn)樗莝tatic的
// 聲明外部函數(shù)
void increaseGlobal();
void accessPrivate();
int main() {
increaseGlobal(); // 可以調(diào)用
// increasePrivate(); // 錯(cuò)誤！無(wú)法調(diào)用static函數(shù)
accessPrivate(); // 可以通過(guò)公開(kāi)接口間接使用
printf("在main中訪問(wèn)全局計(jì)數(shù)器：%d\n", globalCounter);
// printf("在main中訪問(wèn)私有計(jì)數(shù)器：%d\n", privateCounter); // 錯(cuò)誤！無(wú)法訪問(wèn)
return0;
}輸出結(jié)果:
全局計(jì)數(shù)器：1
私有計(jì)數(shù)器：1
通過(guò)接口訪問(wèn)私有計(jì)數(shù)器
在main中訪問(wèn)全局計(jì)數(shù)器：1這個(gè)例子說(shuō)明：
- globalCounter和increaseGlobal()在兩個(gè)文件間共享
- privateCounter和increasePrivate()只在 file1.c 中可見(jiàn)
- 需要使用私有功能時(shí)，必須通過(guò)公開(kāi)的"接口函數(shù)"如accessPrivate()
static 全局變量/函數(shù)的特點(diǎn)：
- 限制作用域：只在定義的文件內(nèi)可見(jiàn)
- 避免命名沖突：不同文件可以使用相同名稱(chēng)的 static 變量/函數(shù)
- 隱藏實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：將內(nèi)部使用的輔助函數(shù)設(shè)為 static
- 提高編譯效率：編譯器可以對(duì) static 函數(shù)進(jìn)行更多優(yōu)化
四、場(chǎng)景三：在結(jié)構(gòu)體/類(lèi)中創(chuàng)建共享變量
C++中，可以在類(lèi)中定義 static 成員變量，所有對(duì)象共享同一個(gè)變量。雖然 C 語(yǔ)言沒(méi)有類(lèi)，但在一些 C++風(fēng)格的C 代碼中也會(huì)用到這個(gè)概念：
#include <stdio.h>
// 假設(shè)這是一個(gè)簡(jiǎn)單的"類(lèi)"
typedefstruct {
int id;
char* name;
// 注意：在C中不能在結(jié)構(gòu)體內(nèi)直接定義static變量
} Person;
// 在C中，我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)體外定義static變量
staticint Person_count = 0;
// "構(gòu)造函數(shù)"
Person createPerson(char* name) {
Person p;
p.id = ++Person_count; // 每創(chuàng)建一個(gè)Person，計(jì)數(shù)器就+1
p.name = name;
return p;
}
// 獲取創(chuàng)建的Person總數(shù)
int getPersonCount() {
return Person_count;
}
int main() {
Person p1 = createPerson("張三");
Person p2 = createPerson("李四");
Person p3 = createPerson("王五");
printf("已創(chuàng)建的Person對(duì)象數(shù)量：%d\n", getPersonCount());
printf("各Person的ID：%d, %d, %d\n", p1.id, p2.id, p3.id);
return0;
}運(yùn)行結(jié)果：
已創(chuàng)建的Person對(duì)象數(shù)量：3
各Person的ID：1, 2, 3在這個(gè)例子中，Person_count在所有Person對(duì)象之間共享，用來(lái)記錄創(chuàng)建了多少個(gè)對(duì)象，并為每個(gè)對(duì)象分配唯一ID。
五、深入理解 static：生命周期 vs 作用域
很多人搞混了 static 的兩個(gè)作用：改變 生命周期和改變 作用域。
生命周期：變量存在的時(shí)間
- 普通局部變量：函數(shù)調(diào)用期間存在
- static 局部變量：程序運(yùn)行期間一直存在
作用域：變量可見(jiàn)的范圍
- 普通全局變量：所有文件可見(jiàn)
- static 全局變量：僅定義它的文件可見(jiàn)
六、幾個(gè)常見(jiàn)的 static 使用場(chǎng)景
1. 單例模式的實(shí)現(xiàn)(非線程安全)
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedefstruct {
int data;
} Singleton;
Singleton* getInstance() {
static Singleton* instance = NULL;
if (instance == NULL) {
// 第一次調(diào)用時(shí)創(chuàng)建對(duì)象
instance = (Singleton*)malloc(sizeof(Singleton));
instance->data = 42;
printf("創(chuàng)建了單例對(duì)象\n");
}
return instance;
}
int main() {
Singleton* s1 = getInstance();
Singleton* s2 = getInstance();
printf("s1的地址：%p, 數(shù)據(jù)：%d\n", (void*)s1, s1->data);
printf("s2的地址：%p, 數(shù)據(jù)：%d\n", (void*)s2, s2->data);
// 修改s1的數(shù)據(jù)
s1->data = 100;
// 檢查s2是否也改變了
printf("修改后，s2的數(shù)據(jù)：%d\n", s2->data);
// 注意：在實(shí)際應(yīng)用中還需要處理內(nèi)存釋放問(wèn)題
return0;
}運(yùn)行結(jié)果：
創(chuàng)建了單例對(duì)象
s1的地址：00C37F28, 數(shù)據(jù)：42
s2的地址：00C37F28, 數(shù)據(jù)：42
修改后，s2的數(shù)據(jù)：100這個(gè)例子實(shí)現(xiàn)了單例模式：無(wú)論調(diào)用多少次getInstance()，都只會(huì)創(chuàng)建一個(gè)Singleton對(duì)象。
不過(guò)要注意，這個(gè)實(shí)現(xiàn)在多線程環(huán)境下可能會(huì)出問(wèn)題。想象兩個(gè)線程同時(shí)首次調(diào)用 getInstance()，它們都發(fā)現(xiàn)instance == NULL，然后都創(chuàng)建了對(duì)象！解決這個(gè)問(wèn)題需要加鎖或使用原子操作，這就是所謂的"線程安全單例模式"。
2. 計(jì)算斐波那契數(shù)列（使用緩存）
#include <stdio.h>
// 使用static數(shù)組緩存結(jié)果，避免重復(fù)計(jì)算
unsigned long long fibonacci(int n) {
staticunsignedlonglong cache[100] = {0}; // 緩存結(jié)果
staticint initialized = 0;
// 初始化前兩個(gè)數(shù)
if (!initialized) {
cache[0] = 0;
cache[1] = 1;
initialized = 1;
}
// 如果結(jié)果已經(jīng)計(jì)算過(guò)，直接返回
if (cache[n] != 0 || n <= 1) {
return cache[n];
}
// 計(jì)算并緩存結(jié)果
cache[n] = fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2);
return cache[n];
}
int main() {
printf("斐波那契數(shù)列的第40個(gè)數(shù)：%llu\n", fibonacci(39));
// 再次計(jì)算，會(huì)直接使用緩存
printf("再次計(jì)算，斐波那契數(shù)列的第40個(gè)數(shù)：%llu\n", fibonacci(39));
return0;
}這個(gè)例子使用 static 數(shù)組緩存了已計(jì)算的結(jié)果，大大提高了效率。
七、static 的常見(jiàn)坑和注意事項(xiàng)
- 不要在頭文件中定義 static 全局變量/函數(shù) : 如果在頭文件中定義static變量/函數(shù)，每個(gè)包含該頭文件的源文件都會(huì)創(chuàng)建自己的副本，可能導(dǎo)致意想不到的結(jié)果。
- 初始化順序: static 變量的初始化發(fā)生在程序啟動(dòng)時(shí)，但是不同文件中的static變量初始化順序是不確定的。
- 多線程安全問(wèn)題: 多線程同時(shí)訪問(wèn) static 變量可能導(dǎo)致競(jìng)態(tài)條件，需要使用互斥鎖保護(hù)。
八、總結(jié)：static 的三個(gè)"超能力"
- 記憶力：static 局部變量記住調(diào)用間的狀態(tài)
- 隱身術(shù)：static 全局變量/函數(shù)隱藏實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)
- 共享精神：static 在"類(lèi)"中用于共享數(shù)據(jù)
掌握了這三點(diǎn)，你就能在編程中靈活運(yùn)用 static，讓你的程序更高效、更安全、更優(yōu)雅！
