三種變量類型在局部與全局作用域的區別

一、基本概念

作用域（Scope）：
- 全局作用域：定義在所有函數外部的變量或函數，具有文件作用域，生命周期為整個程序運行期間。
- 局部作用域：定義在函數、塊（如 {}）或類內部的變量或函數，作用域限于定義的塊，生命周期通常為塊執行期間（除非用 static 修改）。
鏈接（Linkage）：
- 外部鏈接（External Linkage）：符號（如變量或函數）在整個程序中可見，可被其他源文件訪問。
- 內部鏈接（Internal Linkage）：符號僅在當前源文件中可見。
- 無鏈接（No Linkage）：符號僅在定義的作用域內可見（如局部變量）。
關鍵字作用：
- extern：聲明變量或函數具有外部鏈接，定義在其他地方。
- static：修改變量或函數的鏈接和生命周期，行為因作用域不同而變化。
- inline：主要用于函數，建議編譯器內聯函數體；C++11 后也可用于變量，控制多文件定義。

二、關鍵字在全局和局部作用域的區別

1. `extern` 變量

全局作用域

定義：
- 聲明：extern int myVar;（不分配存儲，僅聲明）。
- 定義：int myVar = 42;（分配存儲，初始化）。
- extern 用于聲明變量在其他源文件定義，允許跨文件共享。
特性：
- 鏈接：外部鏈接，變量在整個程序中唯一，多個文件可訪問。
- 生命周期：程序整個運行期間（全局變量默認靜態存儲）。
- 初始化：如果定義時未初始化，默認值為 0。
- 單一定義規則（ODR）：只能在一個源文件中定義，其余文件用 extern 聲明。

示例：

// global.h
#ifndef GLOBAL_H
#define GLOBAL_H
extern int globalVar; // 聲明
#endif

// global.c
#include "global.h"
int globalVar = 42; // 定義

// main.c
#include "global.h"
#include <stdio.h>
int main() {printf("%d\n", globalVar); // 輸出 42globalVar = 100; // 修改全局變量return 0;
}

gcc -o program main.c global.c

行為：
- globalVar 在 global.c 中定義，存儲分配在全局數據段。
- main.c 通過 extern 訪問同一變量，修改會反映到所有文件中。

局部作用域

定義：
- 在函數或塊內使用 extern 聲明變量，引用全局變量。
- 不能在局部作用域定義 extern 變量（因為 extern 不分配存儲）。
特性：
- 鏈接：仍為外部鏈接，引用全局作用域的變量。
- 生命周期：全局變量的生命周期（程序運行期間）。
- 作用域：聲明所在的塊，但引用全局變量的實際作用域是全局。

示例：

// global.c
int globalVar = 42; // 全局定義

// main.c
#include <stdio.h>
void func() {extern int globalVar; // 引用全局變量printf("%d\n", globalVar); // 輸出 42globalVar = 100;
}
int main() {func();printf("%d\n", globalVar); // 輸出 100return 0;
}

行為：
- extern int globalVar; 在 func 內聲明，引用全局變量。
- 修改 globalVar 影響全局，所有引用它的地方看到相同值。
注意：
- 局部 extern 聲明僅用于明確引用全局變量，通常不必要（直接使用全局變量名即可）。
- 不能在局部作用域初始化 extern 變量（如 extern int x = 10; 會報錯）。
- 局部定義的變量會隨著作用域的結束，而在當前文件中失去名稱。

使用場景：

全局：跨文件共享全局變量（如配置參數、狀態變量）。
局部：顯式聲明引用全局變量（較少使用，通常直接訪問）。

2. `static` 變量

全局作用域

定義：
- static int myVar = 42;（定義并初始化，分配存儲）。
特性：
- 鏈接：內部鏈接，僅在當前源文件可見，其他文件無法通過 extern 訪問。
- 生命周期：程序整個運行期間（靜態存儲）。
- 初始化：未初始化時默認值為 0，僅初始化一次。
- 作用域：文件作用域，限制在定義的源文件。

示例：

// file1.c
static int globalStatic = 42; // 內部鏈接，僅 file1.c 可見
void printStatic() {printf("%d\n", globalStatic);
}

// file2.c
#include <stdio.h>
// extern int globalStatic; // 錯誤：無法訪問 file1.c 的 static 變量
void printStatic(); // 可以訪問函數
int main() {printStatic(); // 輸出 42return 0;
}

gcc -o program file1.c file2.c

行為：
- globalStatic 只在 file1.c 中定義和訪問。
- file2.c 無法通過 extern 訪問 globalStatic，但可調用 printStatic 函數。

局部作用域

定義：
- static int myVar = 42;（在函數或塊內定義）。
特性：
- 鏈接：無鏈接，僅在定義的塊內可見。
- 生命周期：程序整個運行期間（靜態存儲），而不是塊的生命周期。
- 初始化：僅初始化一次，值在多次調用間保留。
- 作用域：限于定義的塊（如函數內部）。

示例：

#include <stdio.h>
void counter() {static int count = 0; // 靜態局部變量，初始化一次count++;printf("Count: %d\n", count);
}
int main() {counter(); // 輸出 Count: 1counter(); // 輸出 Count: 2counter(); // 輸出 Count: 3return 0;
}

行為：
- count 在第一次調用時初始化為 0，存儲在靜態數據段。
- 后續調用保留 count 的值，遞增后保持狀態。
- 外部無法訪問 count（無鏈接）。

使用場景：

全局：限制變量只在當前源文件使用（如模塊私有變量）。
局部：需要保留值的局部變量（如計數器、狀態機）。

3. `inline`（變量和函數）

背景

在 C 中，inline 僅用于函數，建議編譯器內聯函數體。
在 C++ 中，inline 可用于函數和變量（C++17 起），但 inline 變量較少見。
以下分別討論 inline 函數和 inline 變量。

全局作用域 - `inline` 函數

定義：
- inline void myFunction() { ... }（建議內聯）。
特性：
- 鏈接：外部鏈接，但允許多個定義（只要定義一致）。
- 行為：
  - 編譯器可能將函數調用替換為函數體，減少調用開銷。
  - 在 C 中，inline 函數需配合 static 或 extern 明確鏈接：
    - static inline：內部鏈接，每個源文件有獨立副本。
    - inline（C99）：需要一個非 inline 定義支持。
  - 在 C++ 中，inline 函數默認允許多文件定義，鏈接器合并為單一實現。
- 初始化：不適用（函數無初始化）。

示例（C++）：

// header.h
#ifndef HEADER_H
#define HEADER_H
inline int add(int a, int b) { return a + b; }
#endif

// file1.cpp
#include "header.h"
#include <iostream>
void printAdd() { std::cout << add(2, 3) << "\n"; }

// file2.cpp
#include "header.h"
#include <iostream>
int main() { std::cout << add(2, 3) << "\n"; return 0; } // 輸出 5

g++ -o program file1.cpp file2.cpp

行為：
- add 在頭文件中定義，多個源文件包含不會導致重復定義錯誤。
- 編譯器可能內聯 add，提高性能。

全局作用域 - `inline` 變量（C++17 起）

定義：
- inline int myVar = 42;（定義并初始化）。
特性：
- 鏈接：外部鏈接，允許多個定義（必須一致）。
- 生命周期：程序整個運行期間。
- 初始化：必須初始化，且所有定義的初始化值相同。
- 作用：解決頭文件中定義全局變量的重復定義問題。

示例：

// header.h
#ifndef HEADER_H
#define HEADER_H
inline int globalInline = 42;
#endif

// main.cpp
#include "header.h"
#include <iostream>
int main() {globalInline = 100;std::cout << globalInline << "\n"; // 輸出 100return 0;
}

// other.cpp
#include "header.h"
#include <iostream>
void printInline() { std::cout << globalInline << "\n"; }

行為：
- globalInline 在頭文件中定義，多個文件包含不會導致重復定義錯誤。
- 所有文件共享同一變量，修改全局生效。

局部作用域 - `inline` 函數

定義：

在函數或塊內定義 inline 函數（較少見，通常全局定義）。

示例：

void outer() {inline int add(int a, int b) { return a + b; } // C++ 中合法但罕見printf("%d\n", add(2, 3));
}

特性：
- 鏈接：無鏈接，僅在塊內可見。
- 行為：建議內聯，但作用域受限，外部無法訪問。
注意：局部 inline 函數用途有限，通常用于小型工具函數。

局部作用域 - `inline` 變量

限制：C++ 不允許在局部作用域定義 inline 變量。
原因：inline 變量設計用于全局作用域，解決多文件定義問題，局部變量無需此功能。

使用場景：

全局 inline 函數：頭文件中定義小函數（如 getter/setter），避免重復定義。
全局 inline 變量：C++17 后，用于共享常量或全局狀態。
局部 inline 函數：罕見，用于塊內優化小型函數。

三、對比總結

關鍵字	作用域	鏈接	生命周期	初始化	行為	使用場景
extern 變量	全局	外部鏈接	程序運行期間	定義時可初始化，默認 0	聲明引用其他文件定義的變量	跨文件共享全局變量
extern 變量	局部	外部鏈接（引用全局）	程序運行期間	不可初始化	引用全局變量	顯式引用全局變量（少用）
static 變量	全局	內部鏈接	程序運行期間	默認 0，僅一次	限制在當前文件	模塊私有變量
static 變量	局部	無鏈接	程序運行期間	默認 0，僅一次	值在塊間保留	計數器、狀態保留
inline 函數	全局	外部鏈接（允許多定義）	N/A	N/A	建議內聯，頭文件定義	小函數優化
inline 函數	局部	無鏈接	N/A	N/A	塊內內聯	局部小型函數（罕見）
inline 變量	全局	外部鏈接（允許多定義）	程序運行期間	必須初始化	頭文件定義共享變量	C++17 全局常量
inline 變量	局部	不支持	N/A	N/A	N/A	不適用

四、注意事項

ODR 合規性：extern 和 inline 變量必須遵守單一定義規則，避免重復定義。
調試：高優化（如 -O2）可能影響 extern 和 static 變量的調試，建議用 -Og。
C vs C++：
- C 不支持 inline 變量，僅 inline 函數。
- C++ 的 inline 變量和函數更靈活，適合頭文件定義。

編譯命令：

g++ -std=c++17 -O2 -o program main.cpp other.cpp

五、總結

extern 變量：
- 全局：跨文件共享，外部鏈接，需單獨定義。
- 局部：引用全局變量，較少使用。
static 變量：
- 全局：內部鏈接，限制文件訪問。
- 局部：無鏈接，值保留，適合狀態保持。
inline：
- 函數（全局/局部）：建議內聯，C/C++ 通用。
- 變量（全局，C++17）：允許多定義，適合頭文件常量。
- 局部變量不支持。