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C++ static静态成员变量详解

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对象的内存中包含了成员变量,不同的对象占用不同的内存(已在《C++对象的内存模型》中提到),这使得不同对象的成员变量相互独立,它们的值不受其他对象的影响。例如有两个相同类型的对象 a、b,它们都有一个成员变量 m_name,那么修改 a.m_name 的值不会影响 b.m_name 的值。

可是有时候我们希望在多个对象之间共享数据,对象 a 改变了某份数据后对象 b 可以检测到。共享数据的典型使用场景是计数,以前面的 Student 类为例,如果我们想知道班级中共有多少名学生,就可以设置一份共享的变量,每次创建对象时让该变量加 1。

C++中,我们可以使用静态成员变量来实现多个对象共享数据的目标。静态成员变量是一种特殊的成员变量,它被关键字static修饰,例如:
class Student{
public:
    Student(char *name, int age, float score);
    void show();
public:
    static int m_total;  //静态成员变量
private:
    char *m_name;
    int m_age;
    float m_score;
};
这段代码声明了一个静态成员变量 m_total,用来统计学生的人数。

static 成员变量属于类,不属于某个具体的对象,即使创建多个对象,也只为 m_total 分配一份内存,所有对象使用的都是这份内存中的数据。当某个对象修改了 m_total,也会影响到其他对象。

static 成员变量必须在类声明的外部初始化,具体形式为:

type class::name = value;

type 是变量的类型,class 是类名,name 是变量名,value 是初始值。将上面的 m_total 初始化:

int Student::m_total = 0;

静态成员变量在初始化时不能再加 static,但必须要有数据类型。被 private、protected、public 修饰的静态成员变量都可以用这种方式初始化。

注意:static 成员变量的内存既不是在声明类时分配,也不是在创建对象时分配,而是在(类外)初始化时分配。反过来说,没有在类外初始化的 static 成员变量不能使用。

static 成员变量既可以通过对象来访问,也可以通过类来访问。请看下面的例子:
//通过类类访问 static 成员变量
Student::m_total = 10;
//通过对象来访问 static 成员变量
Student stu("小明", 15, 92.5f);
stu.m_total = 20;
//通过对象指针来访问 static 成员变量
Student *pstu = new Student("李华", 16, 96);
pstu -> m_total = 20;
这三种方式是等效的。

注意:static 成员变量不占用对象的内存,而是在所有对象之外开辟内存,即使不创建对象也可以访问。具体来说,static 成员变量和普通的 static 变量类似,都在内存分区中的全局数据区分配内存,不了解的读者请阅读《C语言内存精讲》专题。

下面来看一个完整的例子:
#include <iostream>
using namespace std;

class Student{
public:
    Student(char *name, int age, float score);
    void show();
private:
    static int m_total;  //静态成员变量
private:
    char *m_name;
    int m_age;
    float m_score;
};

//初始化静态成员变量
int Student::m_total = 0;

Student::Student(char *name, int age, float score): m_name(name), m_age(age), m_score(score){
    m_total++;  //操作静态成员变量
}
void Student::show(){
    cout<<m_name<<"的年龄是"<<m_age<<",成绩是"<<m_score<<"(当前共有"<<m_total<<"名学生)"<<endl;
}

int main(){
    //创建匿名对象
    (new Student("小明", 15, 90)) -> show();
    (new Student("李磊", 16, 80)) -> show();
    (new Student("张华", 16, 99)) -> show();
    (new Student("王康", 14, 60)) -> show();

    return 0;
}
运行结果:
小明的年龄是15,成绩是90(当前共有1名学生)
李磊的年龄是16,成绩是80(当前共有2名学生)
张华的年龄是16,成绩是99(当前共有3名学生)
王康的年龄是14,成绩是60(当前共有4名学生)

本例中将 m_total 声明为静态成员变量,每次创建对象时,会调用构造函数使 m_total 的值加 1。

之所以使用匿名对象,是因为每次创建对象后只会使用它的 show() 函数,不再进行其他操作。不过使用匿名对象无法回收内存,会导致内存泄露,在中大型程序中不建议使用。

几点说明 

1) 一个类中可以有一个或多个静态成员变量,所有的对象都共享这些静态成员变量,都可以引用它。

2) static 成员变量和普通 static 变量一样,都在内存分区中的全局数据区分配内存,到程序结束时才释放。这就意味着,static 成员变量不随对象的创建而分配内存,也不随对象的销毁而释放内存。而普通成员变量在对象创建时分配内存,在对象销毁时释放内存。

3) 静态成员变量必须初始化,而且只能在类体外进行。例如:

int Student::m_total = 10;

初始化时可以赋初值,也可以不赋值。如果不赋值,那么会被默认初始化为 0。全局数据区的变量都有默认的初始值 0,而动态数据区(堆区、栈区)变量的默认值是不确定的,一般认为是垃圾值。

4) 静态成员变量既可以通过对象名访问,也可以通过类名访问,但要遵循 private、protected 和 public 关键字的访问权限限制。当通过对象名访问时,对于不同的对象,访问的是同一份内存。
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