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C语言变量的作用域,加深对全局变量和局部变量的理解

所谓作用域(Scope),就是变量的有效范围,就是变量可以在哪个范围以内使用。有些变量可以在所有代码文件中使用,有些变量只能在当前的文件中使用,有些变量只能在函数内部使用,有些变量只能在 for 循环内部使用。

变量的作用域由变量的定义位置决定,在不同位置定义的变量,它的作用域是不一样的。本节我们只讲解两种变量,一种是只能在函数内部使用的变量,另一种是可以在所有代码文件中使用的变量。

在函数内部定义的变量(局部变量)

在函数内部定义的变量,它的作用域也仅限于函数内部,出了函数就不能使用了,我们将这样的变量称为局部变量(Local Variable)。函数的形参也是局部变量,也只能在函数内部使用。请看下面的例子:
#include <stdio.h>

int sum(int m, int n){
    int i, sum=0;
    //m、n、i、sum 都是局部变量,只能在 sum() 内部使用
    for(i=m; i<=n; i++){
        sum+=i;
    }
    return sum;
}

int main(){
    int begin = 5, end = 86;
    int result = sum(begin, end);
    //begin、end、result 也都是局部变量,只能在 main() 内部使用
    printf("The sum from %d to %d is %d\n", begin, end, result);

    return 0;
}
m、n、i、sum 是局部变量,只能在 sum() 内部使用;begin、end、result 也是局部变量,只能在 main() 内部使用。

对局部变量的两点说明:
  • main() 也是一个函数,在 main() 内部定义的变量也是局部变量,只能在 main() 函数内部使用。
  • 形参也是局部变量,将实参传递给形参的过程,就是用实参给局部变量赋值的过程,它和a=b; sum=m+n;这样的赋值没有什么区别。

在所有函数外部定义的变量(全局变量)

C语言允许在所有函数的外部定义变量,这样的变量称为全局变量(Global Variable)

全局变量的默认作用域是整个程序,也就是所有的代码文件,包括源文件(.c文件)和头文件(.h文件)。如果给全局变量加上 static 关键字,它的作用域就变成了当前文件,在其它文件中就无效了。我们目前编写的代码都是在一个源文件中,所以暂时不用考虑 static 关键字,后续我将会在《C语言多文件编程》专题中详细讲解。

【实例】定义一个函数,根据长方体的长宽高求它的体积以及三个面的面积。
#include <stdio.h>

//定义三个全局变量,分别表示三个面的面积
int s1 = 0, s2 = 0, s3 = 0;

int vs(int length, int width, int height){
    int v;  //体积
    v = length * width * height;
    s1 = length * width;
    s2 = width * height;
    s3 = length * height;
    return v;
}

int main(){
    int v = 0;
    v = vs(15, 20, 30);
    printf("v=%d, s1=%d, s2=%d, s3=%d\n", v, s1, s2, s3);
    v = vs(5, 17, 8);
    printf("v=%d, s1=%d, s2=%d, s3=%d\n", v, s1, s2, s3);

    return 0;
}
运行结果:
v=9000, s1=300, s2=600, s3=450
v=680, s1=85, s2=136, s3=40

根据题意,我们希望借助一个函数得到四份数据:体积 v 以及三个面的面积 s1、s2、s3。遗憾的是,C语言中的函数只能有一个返回值,我们只能将其中的一份数据(也就是体积 v)放到返回值中,其它三份数据(也就是面积 s1、s2、s3)只能保存到全局变量中。

C语言代码从前往后依次执行,变量在使用之前必须定义或者声明,全局变量 s1、s2、s3 定义在程序开头,所以在 vs() 和 main() 中都有效。

在 vs() 中将求得的面积放到 s1、s2、s3 中,在 main() 中能够顺利取得它们的值,这说明:在一个函数内部修改全局变量的值会影响其它函数,全局变量的值在函数内部被修改后并不会自动恢复,它会一直保留该值,直到下次被修改。

全局变量也是变量,变量只能保存一份数据,一旦数据被修改了,原来的数据就被冲刷掉了,再也无法恢复了,所以不管是全局变量还是局部变量,一旦它的值被修改,这种影响都会一直持续下去,直到再次被修改。

关于变量的命名

每一段可运行的C语言代码都包含了多个作用域,即使最简单的C语言代码也是如此。
int main(){
    return 0;
}
这就是最简单的、可运行的C语言代码,它包含了两个作用域,一个是 main() 函数内部的局部作用域,一个是 main() 函数外部的全局作用域。

C语言规定,在同一个作用域中不能出现两个名字相同的变量,否则会产生命名冲突;但是在不同的作用域中,允许出现名字相同的变量,它们的作用范围不同,彼此之间不会产生冲突。这句话有两层含义:
  • 不同函数内部可以出现同名的变量,不同函数是不同的局部作用域;
  • 函数内部和外部可以出现同名的变量,函数内部是局部作用域,函数外部是全局作用域。

1) 不同函数内部的同名变量是两个完全独立的变量,它们之间没有任何关联,也不会相互影响。请看下面的代码:
#include <stdio.h>

void func_a(){
    int n = 100;
    printf("func_a: n = %d\n", n);
    n = 86;
    printf("func_a: n = %d\n", n);
}

void func_b(){
    int n = 29;
    printf("func_b: n = %d\n", n);
    func_a(); //调用func_a()
    printf("func_b: n = %d\n", n);
}

int main(){
    func_b();
    return 0;
}
运行结果:
func_b: n = 29
func_a: n = 100
func_a: n = 86
func_b: n = 29

func_a() 和 func_b() 内部都定义了一个变量 n,在 func_b() 中,n 的初始值是 29,调用 func_a() 后,n 值还是 29,这说明 func_b() 内部的 n 并没有影响 func_a() 内部的 n。这两个 n 是完全不同的变量,彼此之间根本“不认识”,只是起了个相同的名字而已,这就好像明星撞衫,北京和云南都有叫李红的,赶巧了而已。

2) 函数内部的局部变量和函数外部的全局变量同名时,在当前函数这个局部作用域中,全局变量会被“屏蔽”,不再起作用。也就是说,在函数内部使用的是局部变量,而不是全局变量。

变量的使用遵循就近原则,如果在当前的局部作用域中找到了同名变量,就不会再去更大的全局作用域中查找。另外,只能从小的作用域向大的作用域中去寻找变量,而不能反过来,使用更小的作用域中的变量。

下面我们通过一个具体的例子来说明:
#include <stdio.h>

int n = 10;  //全局变量

void func1(){
    int n = 20;  //局部变量
    printf("func1 n: %d\n", n);
}

void func2(int n){
    printf("func2 n: %d\n", n);
}

void func3(){
    printf("func3 n: %d\n", n);
}

int main(){
    int n = 30;  //局部变量
    func1();
    func2(n);
    func3();
    printf("main n: %d\n", n);
   
    return 0;
}
运行结果:
func1 n: 20
func2 n: 30
func3 n: 10
main n: 30

代码中虽然定义了多个同名变量 n,但它们的作用域不同,所有不会产生命名冲突。

下面是对输出结果的分析:
  • 对于 func1(),输出结果为 20,显然使用的是 func1() 内部的 n,而不是外部的 n。
  • 调用 func2() 时,会把 main() 中的实参 n 传递给 func2() 中的形参 n,此时形参 n 的值变为 30。形参 n 也是局部变量,所以就使用它了。
  • func3() 输出 10,使用的是全局变量,因为在 func3() 中不存在局部变量 n,所以编译器只能到函数外部,也就是全局作用域中去寻找变量 n。
  • main() 中 printf() 语句输出 30,说明使用的是 main() 中的 n,而不是外部的 n。

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