[c/c++] static 关键字

从修饰的对象来看，static 可以修饰局部变量，也可以修饰全局变量，可以修饰函数；可以修饰类中的成员变量以及成员函数。

从生命周期的角度来看，static 修饰的对象的生命周期，与进程的生命周期是一致的。

从作用域的角度来看，局部静态变量的作用域是函数内，全局静态变量的作用域是模块内；类中的静态成员变量和成员函数的作用域，能访问到类的地方都可以访问到静态成员，类中的静态成员同时也受 public，private，protected 权限修饰符的影响。在 c 语言中，静态函数的作用域只在模块内，这样也是一种权限管理，不让其它模块来访问，增强了安全性；同时，多个模块中的两个静态函数的函数名也可以是相同的，给开发带来了方便。

1 static 修饰变量

1.1 局部静态变量

如下代码，在函数 Test() 中声明定义了一个静态变量 static int a = 10，局部静态变量有以下 3 点需要注意：

（1）作用域是函数内

（2）在 static int a = 10，只在启动的时候初始化一次，不像普通的变量，Test() 每次调用的时候都会将 a 赋值成 10。代码中的 a++ 分别是 11，12，13 ...

（3）在声明的时候需要初始化，并且初始化的值必须得是确定的

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

void Test(int data) {
  // static int a = data; // 这样编译不过，编译的时候就需要确定  error: initializer element is not constant
  static int a = 10;
  a++;
  printf("a = %d, data = %d\n", a, data);
}

int main() {
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    Test(i);
  }
  return 0;
}

运行结果如下：

1.2 全局静态变量

在 c 语言中，全局静态变量的作用域就是在源文件内，一个 c 文件中的函数无法访问到另一个 c 文件中声明的静态全局变量。

文件 s0.c 中定义一个静态变量：

static int static_ele = 100;

文件 s0.h 中使用 extern 声明了这个变量：

extern int static_ele;

文件 s2.c 中包含了头文件 s0.h，并且尝试访问变量 static_ele。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "s0.h"

static int a = 100;

int main() {
  printf("a = %d, static_ele = %d\n", a, static_ele);
  return 0;
}

编译会报错，在 s2.c 中无法访问到 static_ele。

2 static 修饰函数

static 修饰的函数也是只能在 c 文件内部访问，在其它 c 文件不能访问。
 

文件 s3.c 中定义一个静态函数 static void SayHello()：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

static void SayHello() {
  printf("hello in static function\n");
}

void SayHello1() {
  printf("hello1\n");
}

文件 s3.h 中是函数的声明：

void SayHello();
void SayHello1();

文件 s4.c 中包含了头文件 s3.h，并尝试调用函数 SayHello()：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "s3.h"

int main() {
  SayHello();
  SayHello1();
  return 0;
}

 编译报错，找不到函数定义：

在 c 语言中，经常使用函数指针，如果静态函数被一个函数指针维护，那么其它模块可以通过函数指针来调用静态函数的。static 关键字是编译阶段检查的语法，在运行时无法检查。

对 s3.c，s3.h，s4.c 进行修改，使用一个函数指针来保存静态函数 SayHello() 的地址，这样的话只要能拿到这个函数指针，就能调用对应的函数。

s3.c:

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include "s3.h"

static void SayHello() {
  printf("hello in static function\n");
}

void SayHello1() {
  printf("hello1\n");
}

struct FunctionPointer fp = {
  .say_hello = SayHello
};

s3.h

void SayHello1();

struct FunctionPointer {
  void (*say_hello)();
};

extern struct FunctionPointer fp;

s4.c

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "s3.h"

int main() {
  fp.say_hello();
  SayHello1();
  return 0;
}

编译运行结果如下：

3 static 修饰类成员

3.1 静态成员变量

静态成员变量属于类，不属于对象。所有的对象共享一份静态成员变量，而不是每个对象都拥有一个。

静态成员变量有以下几点需要注意，在代码中通过注释做了说明。

（1）需要在类外初始化

（2）在类外初始化的时候不能使用 static 修饰

（3）静态成员变量可以被 public，private，protected 修饰，访问权限与非静态成员变量是一致的

#include <iostream>
#include <string>

class Test {
public:
  Test() {
    std::cout << "Test()" << std::endl;
    public_a = 1;
    private_a = 2;
    protected_a = 3;
  }

  ~Test() {
    std::cout << "~Test()" << std::endl;
  }

  void Do() {
    std::cout << "public a = " << public_a << std::endl;
    std::cout << "private a = " << private_a << std::endl;
    std::cout << "protected a = " << protected_a << std::endl;
  }

  static int public_a;

private:
  static int private_a;

protected:
  static int protected_a;
};

// 类的静态成员变量在类外初始化的时候
// 不能再加 static 关键字
// 如果还带 static 关键字，会报错
// error: ‘static’ may not be used when defining (as opposed to declaring) a static data member
// static int Test::public_a = 10;
// static int Test::private_a = 20;
// static int Test::protected_a = 30;

// 类的静态成员变量需要在类外初始化
int Test::public_a = 10;
int Test::private_a = 20;
int Test::protected_a = 30;

int main() {
  Test t;
  t.public_a = 100;
  t.Do();
  // t.private_a = 200;
  // t.protected_a = 300;
  Test::public_a = 1000;
  // Test::private_a = 200;
  // Test::protected_a = 300;
  t.Do();
  return 0;
}

 运行结果如下图所示：

3.2 静态成员函数

静态成员函数有以下几点需要注意：

（1）可以在类内部声明和实现

（2）也可以在类内部声明，在类外部实现，在类外部实现时，不能 static 修饰

（3）静态成员函数中不能调用非静态成员函数，也不能使用非静态成员变量，因为静态函数中没有 this 指针

#include <iostream>
#include <string>

class Test {
public:
  Test() {
    std::cout << "Test()" << std::endl;
    public_a = 1;
    private_a = 2;
    protected_a = 3;
  }

  ~Test() {
    std::cout << "~Test()" << std::endl;
  }

  void Do() {
    std::cout << "public a = " << public_a << std::endl;
    std::cout << "private a = " << private_a << std::endl;
    std::cout << "protected a = " << protected_a << std::endl;
  }

  static void StaticDo() {
    // Do(); // error: cannot call member function ‘void Test::Do()’ without object
    // public_b = 10; // error: invalid use of member ‘Test::public_b’ in static member function
    public_a = 10;
    std::cout << "StaticDo" << std::endl;
  }

  static void StaticDo1();

  static int public_a;
  int public_b;

private:
  static int private_a;

  static void PrivateStaticDo() {
    std::cout << "Private StaticDo" << std::endl;
  }

protected:
  static int protected_a;

  static void ProtectedStaticDo() {
    std::cout << "Protected StaticDo" << std::endl;
  }
};

int Test::public_a = 10;
int Test::private_a = 20;
int Test::protected_a = 30;

// error: cannot declare member function ‘static void Test::StaticDo1()’ to have static linkage
/* static */ void Test::StaticDo1() {
  std::cout << "StaticDo1()" << std::endl;
}

int main() {
  Test t;
  t.StaticDo();
  t.StaticDo1();
  // t.PrivateStaticDo();
  // t.ProtectedStaticDo();
  // Test::PrivateStaticDo();
  // Test::ProtectedStaticDo();
  return 0;
}

代码运行结果如下：

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