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C语言里变量的生命周期

来源:DS小龙哥-嵌入式技术    时间:2023-07-11 09:24:37

在 C 语言中,变量的生命周期指的是该变量存在的时间段,理解变量的内存释放时机,设计程序才能少出问题。

在程序执行期间,变量会经历以下三个阶段:

(1)定义阶段(定义变量):在定义变量时,编译器会为该变量分配内存空间。此时变量的值是不确定的。


(资料图)

(2)使用阶段(赋值、读取变量):在程序执行过程中,可以对变量进行赋值或读取操作。此时变量的值是确定的,并且会随着程序执行的进度而变化。

(3)销毁阶段(变量被销毁):在变量的作用域结束时,该变量就会被销毁。在这个过程中,编译器会自动释放该变量所占用的内存空间。

根据变量的定义位置和作用域,C 语言中的变量可以分为以下两种类型:

(1)局部变量:定义在函数内部或代码块内部的变量称为局部变量。局部变量只能在其定义所在的函数或代码块内部使用,并且在函数或代码块结束时被销毁。局部变量的生命周期受限于其所处的函数或代码块的生命周期。

(2)全局变量:定义在函数外部或文件顶部的变量称为全局变量。全局变量可以在整个程序中使用,其生命周期从程序开始到程序结束。全局变量在程序运行期间一直存在,并且在程序结束时才被销毁。

除了上述两种变量类型之外,C 语言还提供了另外一种特殊的变量类型——静态变量。静态变量定义在函数内部或代码块内部,但其生命周期与局部变量不同。静态变量在函数或代码块结束时不会被销毁,而是继续存在于内存中,并保留其上一次赋值的值,直到下一次被修改。

在 C 语言中,变量的生命周期是由其作用域和定义位置决定的。正确地管理变量的生命周期对于程序的正确性和性能都至关重要,程序员需要深入了解变量的生命周期,遵循正确的使用规则,确保程序的正确性和健壮性。

以下是使用代码进行举例说明变量的生命周期:

(1)定义阶段

在定义变量时,编译器会为该变量分配内存空间。

例如,在函数内部定义一个整型变量 a,其定义语句如下:

void foo() {     int a;  // 定义变量 }

此时变量 a就被分配了内存空间,但其值是不确定的。

(2)使用阶段

在程序执行过程中,可以对变量进行赋值或读取操作。

例如,在上述定义变量的基础上,给变量 a赋值并读取其值的代码如下:

void foo() {     int a;  // 定义变量 ​     a = 10;  // 给变量赋值     printf("a = %d\\n", a);  // 打印变量的值 }

此时变量 a的值已经确定为 10,并被输出到控制台。

(3)销毁阶段

在变量的作用域结束时,该变量就会被销毁。在这个过程中,编译器会自动释放该变量所占用的内存空间。例如,在上述定义变量和使用变量的代码基础上,添加一个条件语句使得变量 a在条件成立之后被销毁,示例代码如下:

void foo() {     int a;  // 定义变量 ​     a = 10;  // 给变量赋值     printf("a = %d\\n", a);  // 打印变量的值 ​     if (a > 5) {         int b = 20;  // 定义变量         printf("b = %d\\n", b);  // 打印变量的值     } ​     printf("a = %d\\n", a);  // 打印变量的值,此时变量依然存在 }

在上述代码中,当条件 a > 5成立时,程序会在条件中定义并使用一个新的整型变量 b,但该变量在条件结束后就被释放了。而变量 a的生命周期则受限于函数 foo()的作用域,即在函数结束时被销毁。

(4)子函数返回地址(指针)

如果子函数返回指针变量,需要注意指针变量的生命周期问题,以避免指针失效和内存泄漏等问题。

假设有一个子函数 get_string(),该函数返回一个动态分配的字符串指针。函数定义及示例代码如下:

char* get_string() {     char* str = (char*) malloc(10 * sizeof(char));     str[0] = "H";     str[1] = "e";     str[2] = "l";     str[3] = "l";     str[4] = "o";     str[5] = "\\0";     return str; } ​ int main() {     char* s = get_string();     printf("%s\\n", s);  // 输出 "Hello" ​     // 此处应该手动释放内存     free(s); ​     return 0; }

在上述代码中,函数 get_string()动态分配了一个长度为 10 的字符数组 str,并返回了该数组的首地址,该指针是在堆(heap)上分配的。由于是动态分配的内存空间,因此需要手动释放。在 main()函数中对指针进行操作后,也需要手动释放该指针所指向的内存空间,以避免内存泄漏。

以下是一个错误的示例,用于和前面正确示例进行对比,帮助理解返回指针的生命周期问题:

char* get_string() {     char str[] = "Hello";     return str; } ​ int main() {     char* s = get_string();     printf("%s\\n", s);  // 输出 "Hello" ​     return 0; }

在这个示例中,函数 get_string()返回了一个局部数组 str的首地址。由于 str是在函数内部定义的局部变量,其生命周期仅限于函数调用过程中。当函数 get_string()执行完毕后,str的生命周期已经结束,其内存空间已被回收,此时返回的指针变量 s已经成为了野指针,指向了无效的内存空间,进而会导致未定义的行为。

尽管该函数定义的返回类型是 char*,但是由于返回了一个局部变量的指针,会导致指针失效、访问非法内存等问题,从而产生程序崩溃等错误行为。

总结:如果一个子函数需要返回指针变量,需要确保返回的指针指向的内存空间在使用期间有效,否则会导致严重的问题。

审核编辑:汤梓红

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