C++面试基础之static关键字详解

2023-08-28 15:09:07 264
前言
static是c++的关键字，顾名思义是表示静态的含义。它在c++中既可以修饰变量也可以修饰函数。那当我们使用static时，编译器究竟做了哪些事情呢？
早先面试中被问到static关键字，感觉既熟悉又陌生。熟悉是都知道如何去使用它，陌生又来自不知道它究竟对我们程序做了什么。今天就来好好复习下这个关键字，本文的重点也在第三部分。
先看一下示例代码:
test1.cpp
#include
externinta_int;
externvoidfunc2();

staticcharc_array[10000];

voidfunc1(){
staticinta_tmp=0;
std::cout<(c_array)<
test2.cpp
#include

inta_int;
staticcharc_array[1000];
voidfunc2(){
std::cout<(c_array)<
1先说说extern
extern关键字用于告诉编译器，在其他的模块中寻找相应的定义
为什么static前要先说extern呢？因为他们就像相互对立的一对关键字，所以extern与static一起用时编译器会报错～
1.1extern用于修饰变量
以示例代码中的a_int变量为例，假设其他的变量和函数不存在
我们先将extern关键字去掉(test1.cpp:2)，然后执行步骤:



编译g++-c-otest1.otest1.cpp
查看符号nmtest1.o


00000000000000d0S_a_int

可以看到a_int为一个未初始化的符号。说明符号在test1.o中已经被定义了。此时直接编译（g++-otest1test1.cpp）是不会报错的。
然后我们再将extern关键字加上(test1.cpp:2)，并重复上面步骤观察符号


nmtest1.o
会发现test1.o中没有该符号的定义。并且再编译会报错：

Undefinedsymbolsforarchitecturex86_64:

 "_a_int",referencedfrom:

     _mainintest1-ed3c01.o

ld:symbol(s)notfoundforarchitecturex86_64

很明显，链接器没有找到a_int的定义。此时只需要将test2.o加入再编译（g++-otesttest1.cpptest2.cpp）就可以啦
注：此时如果去掉main函数中对a_int变量的引用，也可以编译通过，毕竟a_int在程序中实际没有用到
1.2extern用于修饰函数
以示例代码中的func2（）函数为例
因为在main函数中调用了func2（），所以需要在main之前进行函数声明。但此时的函数声明无论加不加extern其实并无多少区别
1.3extern用于指定编译类型
因为C++编译时会进行namemangling[wiki]，导致所看到的函数与实际编译后的符号差距很大。在某些情况下会导致链接时找不到符号的问题
此时可以使用
extern"C"
{
...
}
这样在范围内的代码都将按照C的格式进行编译
static关键字在我看来的作用是


1.能够改变变量的存储方式


2.能够改变变量与函数的访问范围
2.1static用于修饰变量
我们都知道当程序经过编译后：

函数体内的局部变量会保存在栈中，局部变量随着函数的调用和返回进行构造与析构，并且在函数返回后无法使用。
全局变量保存在静态数据区直到程序退出时才会被析构掉。所以在整个程序内全局变量都可以使用(当然要考虑到作用域)。

对于局部变量，当我们在变量前加上static时，就是告诉了编译器将该变量放入静态数据区。既函数退出时不会将该变量析构掉，当我们下次再调用改函数依然可以取得内存中的这个变量。

例如test1.cpp中，每次调用func1()时a_tmp变量都不会被销毁，最后输出

0

1

2

3

4



对于全局变量，加上static关键字后该变量只能用于当前的文件。


例如test1.cpp中的c_array，加上static后只能在当前源文件使用。


此时如果我们再在test2.cpp中定义一个同名的全局静态数组进行编译（g++-otesttest1.cpptest2.cpp）并且输出他们的地址
test1.cpp[c_array]0x10bb5e100
test2.cpp[c_array]0x10bb60810
可以看到两个地址是不同的，所以虽说是同名的两个全局变量。但都经过static修饰后，他们实际还是两个地址不同相互独立的变量。
那么再试一下，将test1.cpp中的
staticcharc_array[10000];
修改为
externcharc_array[10000];
然后再编译(g++-otesttest1.cpptest2.cpp)可以看到

Undefinedsymbolsforarchitecturex86_64:

 "_c_array",referencedfrom:

     _mainintest1-5d6201.o

ld:symbol(s)notfoundforarchitecturex86_64



这当然是因为test2.cpp中的c_array还是有static进行修饰的，导致我们无法在test1.cpp文件中访问到。那就将static去掉，看到结果

test1.cpp[c_array]0x10b1e2100

test2.cpp[c_array]0x10b1e2100



它们的地址相同对应的同一块内存，是同一个变量！
2.2STATIC用于修饰函数


static对于函数于变量其实比较类似，它限定了函数只能在当前的模块中使用。


假如我们将test2.cpp中的func2()函数加上static关键字，那么编译（g++-otesttest1.cpptest2.cpp）也会报错找不到符号

Undefinedsymbolsforarchitecturex86_64:

 "func2()",referencedfrom:

     _mainintest1-80a5c0.o

ld:symbol(s)notfoundforarchitecturex86_64



3关于text、bss与data段


关于数据段、编译、链接方面的知识非常推荐看看<<程序员的自我修养:链接、装载与库>>
3.1局部变量的编译


是否曾经好奇函数内的临时变量经过编译会变成什么样子？
假设我们写了如下代码，并编译成名为test的可执行文件
intmain(){
chars1[11]="helloworld";
chars2[11]="helloworld";
return0;
}
那么可以通过objdump-DStest观察到main函数中有如下片段（有省略）

Disassemblyofsection.text:

.....

00000000004005b0
:

4005b4:48b868656c6c6fmovabs$0x726f776f6c6c6568,%rax

4005bb:776f72

4005be:488945f0mov%rax,-0x10(%rbp)

4005c2:66c745f86c64movw$0x646c,-0x8(%rbp)

4005c8:c645fa00movb$0x0,-0x6(%rbp)

4005cc:48b868656c6c6fmovabs$0x726f776f6c6c6568,%rax

4005d3:776f72

4005d6:488945e0mov%rax,-0x20(%rbp)

4005da:66c745e86c64movw$0x646c,-0x18(%rbp)

4005e0:c645ea00movb$0x0,-0x16(%rbp)

......



观察下0x646c和0x726f776f6c6c6568，转化成ascii就是



100108114111119111108108101104



对应的字符


‘d'‘l'‘r'‘o'‘w'‘o'‘l'‘l'‘e'‘h'，看出来了吧，编译器将“helloworld”以立即数的方式写到了text段内。


然后通过readelf-atest会发现并没有s1与s2的符号。
现在将代码改为这样又会如何？
staticchars1[11]="helloworld";
staticchars2[11]="helloworld";
继续通过objdump-DStest观察发现main中发生了改变

Disassemblyofsection.text:

00000000004005b0
:

 4005b0: 55                   push  %rbp

 4005b1: 4889e5             mov   %rsp,%rbp

 4005b4: b800000000       mov   $0x0,%eax

 4005b9: 5d                   pop   %rbp

 4005ba: c3                   retq

 4005bb: 0f1f440000       nopl  0x0(%rax,%rax,1)

通过readelf-atest可以看到新增了两个地址不同的符号，由此可见static确实改变了变量的存储方式

Symboltable'.symtab'contains66entries:

  Num:   Value         SizeType   Bind  Vis     NdxName

  37:000000000060102c   11OBJECT LOCAL DEFAULT  24_ZZ4mainE2s2

  38:0000000000601037   11OBJECT LOCAL DEFAULT  24_ZZ4mainE2s1



那么如果指向常量呢?稍微改下
constchar*s1="helloworld";
constchar*s2="helloworld";
继续通过objdump观察到main中有这两代码，很明显了0x400660存储着我们的“helloworld”的字符串常量

00000000004005b0
:

 4005b4: 48c745f8600640 movq  $0x400660,-0x8(%rbp)

 4005bb: 00

 4005bc: 48c745f0600640 movq  $0x400660,-0x10(%rbp)



找到这个地址，发现这个地址属于.rodata段。这就是我们常说用来保存字面值常量的数据段。

Disassemblyofsection.rodata:

0000000000400658<__dso_handle>:

 ...

 400660: 68656c6c6f       pushq $0x6f6c6c65

 400665: 776f                ja    4006d6<__dso_handle+0x7e>

 400667: 726c                jb    4006d5<__dso_handle+0x7d>

 400669: 64                    fs



观察下十六进制的值，就是我们的“helloworld”没错啦。
3.2全局变量的编译


那么对于全局变量又应该是如何存储的呢？


首先我们知道无论静态还是非静态的变量都应该存储在静态数据区。我们熟悉的静态数据区就有.bss和.data。

.bss在编译时实际上不占据空间，只有在运行时才会由被分配空间。那么还是来验证下
chara_array[10000];
staticcharb_array[10000];
intmain(){
return0;
}
编译一下(g++-otesttest.cpp)，然后通过size命令观察(sizetest)

text   data    bss    dec    hex filename

1320    588  20048  21956   55c4 test



可以看出a_array和b_array都实际记录在.bss段，并且.data段的大小显然不符合我们定义的数组大小。通过lltest会发现文件大小不足10000字节，所以可以肯定的是申请的这两个数组在编译时并为被分配内存。
那么继续改一下看看
chara_array[10000]="helloworld";
staticcharb_array[10000];
继续使用sizetest看下

text   data    bss    dec    hex filename

1320  10616  10032  21968   55d0 test



data段和文件都多出了10000多字节！！！


这就是因为a_array进行了初始化，所以编译器为其分配了内存。同理如果b_array也进行了初始化，那么大小还会增加。


tips:


如果进行了初始化，但是内存中还是0值的话，编译器依旧不会为其分配内存的，例如


inta_array[10000]={0};
总结
以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，如果有疑问大家可以留言交流，谢谢大家对毛票票的支持。
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C++面试基础之static关键字详解

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