C++面試基礎之static關鍵字詳解

前言

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static是 c++ 的關鍵字，顧名思義是表示靜態(tài)的含義。它在 c++ 中既可以修飾變量也可以修飾函數(shù)。那當我們使用 static 時，編譯器究竟做了哪些事情呢？

早先面試中被問到 static 關鍵字，感覺既熟悉又陌生。熟悉是都知道如何去使用它，陌生又來自不知道它究竟對我們程序做了什么。今天就來好好復習下這個關鍵字，本文的重點也在第三部分。

先看一下示例代碼:

test1.cpp

#include <iostream>
extern int a_int;
extern void func2();

static char c_array[10000];

void func1() {
 static int a_tmp = 0;
 std::cout << a_tmp++ << std::endl;
 return;
}

int main(int argc, char **argv) {
 a_int = 1;

 //靜態(tài)局部變量示例
 for (auto i = 0; i < 5; i++) {
 func1();
 }

 //比較靜態(tài)全局變量的地址示例
 std::cout << static_cast<const void *>(c_array) << std::endl;
 func2();
 return 0;
}

test2.cpp

#include <iostream>

int a_int;
static char c_array[1000];
void func2() {
 std::cout << static_cast<const void *>(c_array) << std::endl;
 return 0;
}

1 先說說 extern

extern 關鍵字用于告訴編譯器，在其他的模塊中尋找相應的定義

為什么 static 前要先說 extern 呢？因為他們就像相互對立的一對關鍵字，所以 extern 與 static 一起用時編譯器會報錯～

1.1 extern 用于修飾變量

以示例代碼中的 a_int 變量為例，假設其他的變量和函數(shù)不存在

我們先將 extern 關鍵字去掉(test1.cpp:2) ，然后執(zhí)行步驟:

編譯g++ -c -o test1.o test1.cpp
查看符號nm test1.o

00000000000000d0 S _a_int

可以看到 a_int 為一個未初始化的符號。說明符號在 test1.o 中已經(jīng)被定義了。此時直接編譯（ g++ -o test1 test1.cpp ）是不會報錯的。

然后我們再將 extern 關鍵字加上(test1.cpp:2) ，并重復上面步驟觀察符號

nm test1.o

會發(fā)現(xiàn) test1.o 中沒有該符號的定義。并且再編譯會報錯：

Undefined symbols for architecture x86_64:
"_a_int", referenced from:
_main in test1-ed3c01.o
ld: symbol(s) not found for architecture x86_64

很明顯，鏈接器沒有找到 a_int 的定義。此時只需要將 test2.o 加入再編譯（g++ -o test test1.cpp test2.cpp）就可以啦

注：此時如果去掉 main 函數(shù)中對 a_int 變量的引用，也可以編譯通過，畢竟 a_int 在程序中實際沒有用到

1.2 extern 用于修飾函數(shù)

以示例代碼中的 func2（）函數(shù)為例

因為在 main 函數(shù)中調(diào)用了 func2（），所以需要在 main 之前進行函數(shù)聲明。但此時的函數(shù)聲明無論加不加 extern 其實并無多少區(qū)別

1.3 extern 用于指定編譯類型

因為 C++ 編譯時會進行 name mangling[wiki] ，導致所看到的函數(shù)與實際編譯后的符號差距很大。在某些情況下會導致鏈接時找不到符號的問題

此時可以使用

extern "C"
{
 ...
}

這樣在范圍內(nèi)的代碼都將按照 C 的格式進行編譯

static 關鍵字在我看來的作用是

1.能夠改變變量的存儲方式

2.能夠改變變量與函數(shù)的訪問范圍

2.1 static 用于修飾變量

我們都知道當程序經(jīng)過編譯后：

函數(shù)體內(nèi)的局部變量會保存在棧中，局部變量隨著函數(shù)的調(diào)用和返回進行構造與析構，并且在函數(shù)返回后無法使用。
全局變量保存在靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)直到程序退出時才會被析構掉。所以在整個程序內(nèi)全局變量都可以使用(當然要考慮到作用域)。

對于局部變量，當我們在變量前加上 static 時，就是告訴了編譯器將該變量放入靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。既函數(shù)退出時不會將該變量析構掉，當我們下次再調(diào)用改函數(shù)依然可以取得內(nèi)存中的這個變量。
例如 test1.cpp 中，每次調(diào)用 func1() 時 a_tmp 變量都不會被銷毀，最后輸出

0
1
2
3
4

對于全局變量，加上 static 關鍵字后該變量只能用于當前的文件。

例如 test1.cpp 中的 c_array，加上 static 后只能在當前源文件使用。

此時如果我們再在 test2.cpp 中定義一個同名的全局靜態(tài)數(shù)組進行編譯（g++ -o test test1.cpp test2.cpp）并且輸出他們的地址

test1.cpp[c_array]0x10bb5e100
test2.cpp[c_array]0x10bb60810

可以看到兩個地址是不同的，所以雖說是同名的兩個全局變量。但都經(jīng)過 static 修飾后，他們實際還是兩個地址不同相互獨立的變量。

那么再試一下，將 test1.cpp 中的

static char c_array[10000];

修改為

extern char c_array[10000];

然后再編譯(g++ -o test test1.cpp test2.cpp)可以看到

Undefined symbols for architecture x86_64:
"_c_array", referenced from:
_main in test1-5d6201.o
ld: symbol(s) not found for architecture x86_64

這當然是因為 test2.cpp 中的 c_array 還是有 static 進行修飾的，導致我們無法在 test1.cpp 文件中訪問到。那就將 static 去掉，看到結果

test1.cpp[c_array]0x10b1e2100
test2.cpp[c_array]0x10b1e2100

它們的地址相同對應的同一塊內(nèi)存，是同一個變量！

2.2 STATIC 用于修飾函數(shù)

static 對于函數(shù)于變量其實比較類似，它限定了函數(shù)只能在當前的模塊中使用。

假如我們將 test2.cpp 中的 func2() 函數(shù)加上 static 關鍵字，那么編譯（g++ -o test test1.cpp test2.cpp）也會報錯找不到符號

Undefined symbols for architecture x86_64:
"func2()", referenced from:
_main in test1-80a5c0.o
ld: symbol(s) not found for architecture x86_64

3 關于 text、bss 與 data 段

關于數(shù)據(jù)段、編譯、鏈接方面的知識非常推薦看看<<程序員的自我修養(yǎng):鏈接、裝載與庫>>

3.1 局部變量的編譯

是否曾經(jīng)好奇函數(shù)內(nèi)的臨時變量經(jīng)過編譯會變成什么樣子？

假設我們寫了如下代碼，并編譯成名為 test 的可執(zhí)行文件

int main() {
 char s1[11] = "helloworld";
 char s2[11] = "helloworld";
 return 0;
}

那么可以通過 objdump -DS test觀察到 main 函數(shù)中有如下片段（有省略）

Disassembly of section .text:
.....
00000000004005b0 <main>:
4005b4: 48 b8 68 65 6c 6c 6f movabs $0x726f776f6c6c6568,%rax
4005bb: 77 6f 72
4005be: 48 89 45 f0 mov %rax,-0x10(%rbp)
4005c2: 66 c7 45 f8 6c 64 movw $0x646c,-0x8(%rbp)
4005c8: c6 45 fa 00 movb $0x0,-0x6(%rbp)
4005cc: 48 b8 68 65 6c 6c 6f movabs $0x726f776f6c6c6568,%rax
4005d3: 77 6f 72
4005d6: 48 89 45 e0 mov %rax,-0x20(%rbp)
4005da: 66 c7 45 e8 6c 64 movw $0x646c,-0x18(%rbp)
4005e0: c6 45 ea 00 movb $0x0,-0x16(%rbp)
......

觀察下 0x646c 和 0x726f776f6c6c6568，轉化成 ascii 就是

100 108 114 111 119 111 108 108 101 104

對應的字符

‘d' ‘l' ‘r' ‘o' ‘w' ‘o' ‘l' ‘l' ‘e' ‘h'，看出來了吧，編譯器將 “helloworld” 以立即數(shù)的方式寫到了 text 段內(nèi)。

然后通過 readelf -a test會發(fā)現(xiàn)并沒有 s1 與 s2 的符號。

現(xiàn)在將代碼改為這樣又會如何？

static char s1[11] = "helloworld";
static char s2[11] = "helloworld";

繼續(xù)通過 objdump -DS test觀察發(fā)現(xiàn) main 中發(fā)生了改變

Disassembly of section .text:
00000000004005b0 <main>:
4005b0: 55                   push   %rbp
4005b1: 48 89 e5             mov    %rsp,%rbp
4005b4: b8 00 00 00 00       mov    $0x0,%eax
4005b9: 5d                   pop    %rbp
4005ba: c3                   retq
4005bb: 0f 1f 44 00 00       nopl   0x0(%rax,%rax,1)

通過 readelf -a test可以看到新增了兩個地址不同的符號，由此可見 static 確實改變了變量的存儲方式

Symbol table '.symtab' contains 66 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
   37: 000000000060102c    11 OBJECT LOCAL DEFAULT   24 _ZZ4mainE2s2
   38: 0000000000601037    11 OBJECT LOCAL DEFAULT   24 _ZZ4mainE2s1

那么如果指向常量呢?稍微改下

const char *s1 = "helloworld";
const char *s2 = "helloworld";

繼續(xù)通過 objdump 觀察到 main 中有這兩代碼，很明顯了 0x400660存儲著我們的 “helloworld”的字符串常量

00000000004005b0 <main>:
4005b4: 48 c7 45 f8 60 06 40 movq $0x400660,-0x8(%rbp)
4005bb: 00
4005bc: 48 c7 45 f0 60 06 40 movq $0x400660,-0x10(%rbp)

找到這個地址，發(fā)現(xiàn)這個地址屬于 .rodata 段。這就是我們常說用來保存字面值常量的數(shù)據(jù)段。

Disassembly of section .rodata:
0000000000400658 <__dso_handle>:
...
400660: 68 65 6c 6c 6f       pushq $0x6f6c6c65
400665: 77 6f                ja     4006d6 <__dso_handle+0x7e>
400667: 72 6c                jb     4006d5 <__dso_handle+0x7d>
400669: 64                    fs

觀察下十六進制的值，就是我們的 “helloworld” 沒錯啦。

3.2 全局變量的編譯

那么對于全局變量又應該是如何存儲的呢？

首先我們知道無論靜態(tài)還是非靜態(tài)的變量都應該存儲在靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。我們熟悉的靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)就有 .bss 和 .data。
.bss 在編譯時實際上不占據(jù)空間，只有在運行時才會由被分配空間。那么還是來驗證下

char a_array[10000];
static char b_array[10000];
int main() {
 return 0;
}

編譯一下(g++ -o test test.cpp)，然后通過 size 命令觀察(size test)

text data bss dec hex filename
1320 588 20048 21956 55c4 test

可以看出 a_array 和 b_array 都實際記錄在 .bss 段，并且 .data段的大小顯然不符合我們定義的數(shù)組大小。通過 ll test會發(fā)現(xiàn)文件大小不足10000 字節(jié)，所以可以肯定的是申請的這兩個數(shù)組在編譯時并為被分配內(nèi)存。

那么繼續(xù)改一下看看

char a_array[10000] = "helloworld";
static char b_array[10000];

繼續(xù)使用 size test看下

text data bss dec hex filename
1320 10616 10032 21968 55d0 test

data 段和文件都多出了 10000 多字節(jié)?。?！

這就是因為 a_array 進行了初始化，所以編譯器為其分配了內(nèi)存。同理如果 b_array 也進行了初始化，那么大小還會增加。

tips:

如果進行了初始化，但是內(nèi)存中還是 0 值的話，編譯器依舊不會為其分配內(nèi)存的，例如

int a_array[10000] = {0};

總結

以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對創(chuàng)新互聯(lián)的支持。

當前題目：C++面試基礎之static關鍵字詳解
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