C语言(20250723)
C语言
内容提要
- 函数
- 函数的嵌套关系
- 函数的递归调用
- 数组做函数参数
- 变量的作用域
- 变量的生命周期
函数
函数的嵌套调用
定义
函数不允许嵌套定义,但是允许嵌套调用。
-
正确示例
void a() {... } //函数的嵌套调用 void b() {a() }int main() {printf(...); }
-
错误示例:
//函数的嵌套定义 void a() {void b(){...} }
**嵌套调用:**在被调用函数内又主动去调其他函数,这样的函数调用形式,称之为嵌套调用。
案例
案例1
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需求:编写一个函数,判断给定的3~100的正整数是否是素数,若是返回1,否则返回0
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分析:
- 素数:又被称作质数,素数是大于1的自然数,除了1和它本身以外,不能被其他数整除。
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代码:
/*************************************************************************> File Name: demo01.c> Author: 朱旭博> Description: > Created Time: 2025年07月23日 星期三 09时30分20秒************************************************************************/#include <stdio.h>/***定义一个函数,判断一个自然数是否是素数*@param n 待判断的自然数*@return 1-素数,0-非素数*/ int is_prime(int n) {//定义一个标记,默认是素数int flag = 1;//循环变量int i;//生成测试数据 2~n/2for (i = 2; i <= n/2; i++){//校验if (n % i == 0){flag = 0;break;}}return flag; }int main(int argc,char *argv[]) {//生成3~100之间的自然数for (int i = 3; i <= 100; i++){//如果是自然数,就打印,否则不打印if (is_prime(i)) printf("%-4d",i);}printf("\n");return 0; }
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运行结果
案例2
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需求:通过控制台输入一个整数,校验这个整数在一个已知数组中的位置,如果找到,返回下标,找不到,返回-1
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代码:
/*************************************************************************> File Name: demo02.c> Author: 朱旭博> Description: > Created Time: 2025年07月23日 星期三 09时47分20秒************************************************************************/#include <stdio.h>/**定义一个函数,在一个数组中查找指定数据的位置*@param arr[] 待查询的数组*@oaram len 数组传参,只传数组首地址,因此我们没法通过sizeof关键字计算数组的大小,所以需要从外部传递进来*@param n 待查询的数据*return >=0:找到,-1:未找到*/ int find_index(int arr[], int len, int n) {//定义一个标记int index = -1;//遍历数组for (int i = 0; i < len; i++){//获取位置if (arr[i] == n){//更新位置index = i;break;}}return index;}int main(int argc,char *argv[]) {int arr[] = {11,22,33,44,55};int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);int n = 66;int index = find_index(arr,len,n);index != -1 ? printf("%d在数组中的位置是%d\n",n,index) : printf("未找到%d在数组中的位置!\n",n);int n2 = 33;int index2 = find_index(arr,len,n2);index2 != -1 ? printf("%d在数组中的位置是%d\n",n2,index2) : printf("未找到%d在数组中的位置!\n",n2);return 0; }
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运行结果:
案例3
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需求:
-
代码
/*************************************************************************> File Name: demo03.c> Author: 朱旭博> Description: > Created Time: 2025年07月23日 星期三 10时10分06秒************************************************************************/#include <stdio.h>//函数声明 int max_2(int,int); int max_4(int,int,int,int);/**求2个数中的最大值*/ int max_2(int a, int b) {return a > b ? a : b; }/**求4个数中的最大值*/ int max_4(int a, int b, int c, int d) {//写法1//int max;//max = max_2(a,b);//max = max_2(max,c);//max = max_2(max,d);//写法2 return max_2(a,b) > max_2(c,d) ? max_2(a,b) : max_2(c,d); } int main(int argc,char *argv[]) {int a, b, c, d;printf("请输入4个整数:\n");scanf("%d%d%d%d",&a,&b,&c,&d);printf("%d,%d,%d,%d中最大数是%d\n",a,b,c,d,max_4(a,b,c,d));return 0; }
-
运行结果
函数的递归调用
定义
递归调用的含义
在一个函数中,直接或者间接调用了函数本身,就称之为递归调用。本质上还是函数的嵌套调用。
//直接调用 推荐
a() → a();//间接调用
a() → b() → a();
a() → b() → ... →a();
递归调用的本质
递归调用是一种循环结构,它不同于我们之前学过的while,for,do…while这样的循环结构,这些循环结构是借助于循环变量;而递归调用是利用函数自身实现循环结构,如果不加以控制,很容易产生死循环。
注意事项
①递归调用必须要有出口,一定要想办法终止递归(否则会产生死循环)
②对终止条件的判断一定要放在函数递归之前。(先判断,再执行)
③进行函数的递归调用。
④函数递归的同时一定要将函数调用向出口逼近。
递归的底层实现
C语言函数递归的底层实现依赖于程序调用栈(Call Stack),其核心过程是通过栈帧(Stack Frame)的创建与销毁来管理函数的多次调用。具体底层逻辑如下:
- 栈帧的作用
每次函数调用(包括递归调用自身)时,系统会在内存的栈区为该次调用分配一块独立的内存空间,即栈帧。栈帧用于存储:
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函数的参数值
-
函数内的局部变量
-
调用结束后返回的地址(即该次调用结束后,程序应回到的原执行位置)
- 递归调用的底层流程
以计算阶乘 n! 的递归函数 fac(n) 为例(fac(n) = n *fac(n-1) ,终止条件 fac(1) = 1 ):
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第一步:调用 fac(3) 时,系统创建栈帧1,存储参数 n=3 、局部变量及返回地址(假设主函数调用处),然后执行函数体,发现需要调用 fac(2) 。
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第二步:调用 fac(2) 时,系统在栈顶创建栈帧2,存储参数 n=2 及新的返回地址(fac(3) 中等待结果的位置),暂停 fac(3) 的执行,转去执行 fac(2) 。
-
第三步:同理,调用 fac(1) 时,创建栈帧3,存储 n=1 及返回地址(fac(2) 中等待结果的位置)。
-
终止与回溯:当执行到 fac(1) 时,触发终止条件,直接返回结果 1 。此时栈帧3被销毁,程序回到栈帧2中继续执行(计算 2 * 1 = 2 ),栈帧2销毁后回到栈帧1(计算 3 * 2 = 6 ),最终栈帧1销毁,返回结果给主函数。
- 关键特点
-
栈的“后进先出”特性:递归调用时,新的栈帧总是压在栈顶,而只有最顶层的栈帧(即最后一次调用)执行完毕并返回结果后,上层的栈帧才能继续执行(对应递归的“回溯”过程)。
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栈溢出风险:若递归次数过多(如未设置终止条件或终止条件无法触发),会导致栈帧不断创建,超出栈区内存上限,触发“栈溢出(Stack Overflow)”错误,程序崩溃。
简言之,递归的底层本质是通过栈帧的层层创建(递推)和销毁(回溯),实现函数自身的多次调用管理,而栈的特性保证了递归调用的顺序和结果传递。
案例
案例1
-
需求:
递归案例
有5个人坐在一起,
问第5个人多少岁?他说比第4个人大2岁。
问第4个人多少岁?他说比第3个人大2岁。
问第3个人多少岁?他说比第2个人大2岁。
问第2个人多少岁?他说比第1个人大2岁。
最后问第1个人,他说是10岁。
请问第5个人多大。
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分析:
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代码:
/*************************************************************************> File Name: demo04.c> Author: 朱旭博> Description: > Created Time: 2025年07月23日 星期三 11时16分00秒************************************************************************/#include <stdio.h> /**定义一个函数,求年龄*@param n 第n个人*@return 第n个人的年龄*/ int age(int n) {//创建一个变量,存储当前这个人的年龄int _age;//出口if (n == 1)//第一个人{_age = 10;}else if (n > 1){_age = age(n-1) + 2;//当前这个人的年龄 = 上一个人的年龄 + 2 }return _age; } int main(int argc,char *argv[]) {int n = 5;printf("第%d个人的年龄是%d岁!\n",n,age(5));return 0; }
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运行结果:
案例2
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需求:求n的阶乘
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分析:
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代码:
/*************************************************************************> File Name: demo05.c> Author: 朱旭博> Description: > Created Time: 2025年07月23日 星期三 11时30分47秒************************************************************************/#include <stdio.h>/**创建一个函数,实现n的阶乘*@param n 阶乘上限*@return n的阶乘结果*/ size_t fac(int n) {//定义一个变量,用来接收阶乘的结果size_t res;//出口校验if (n <= 0){printf("n的范围不能是0及以下数字!\n");return -1;}else if (n == 1) //出口{res = 1; //出口设置}else{res = fac(n-1) * n;}return res; }int main(int argc,char *argv[]) {size_t n;printf("请输入一个整数:\n");scanf("%lu",&n);printf("%lu的阶乘结果时%lu\n",n,fac(n));return 0; }
-
运行结果:
快速排序算法
快速排序是一种高效的分治(Divide and Conquer)排序算法。它的核心思想是通过选取一个基准值(pivot),将数组划分为两个子数组:一个子数组的所有原酸比基准值小,另一个子数组的所有元素比基准值大,然后递归地对子数组进行排序。
快速排序的基本步骤
1.选择基准值(Pivot Selection):
- 从数组中选择一个元素作为基准值。常见的选择方式包括:
- 第一个或最后一个元素(简单但可能效率不高,尤其在已排序或接近排序的数组中)。
- 随机选择一个元素(减少最坏情况概率)。
- 三数取中法(如第一个、中间、最后一个元素的中位数,提高分区均衡性)。
2.分区(Partition):
- 重新排列数组,使得:
- 所有比基准值小的元素移到基准值的左侧。
- 所有比基准值大的元素移到基准值的右侧。
- 分区完成后基准值处于其最终排序后的正确位置。
- (注:分区是快速排序的关键步骤,常见的实现有Lomuto分区和Hoare分区方案。)
3.递归排序(Recursion):
- 对基准值左侧的子数组和右侧的子数组递归地调用快速排序。
- 递归地终止条件是子数组的长度为0或1(已有序)
4.合并结果(Combine):
- 由于每次分区后基准值已位于正确位置,且左右子数组通过递归排序完成,因此无需显示合并操作,整个数组自然有序。
总结
通过一个基准值(pivot)不断拆分数组,直到子数组无法再拆分(即子数组长度为1或0),此时整个数组就有序了。
代码:
/*************************************************************************> File Name: demo06.c> Author: 朱旭博> Description: > Created Time: 2025年07月23日 星期三 14时23分45秒************************************************************************/#include <stdio.h>
/**快速排序函数(递归实现)*@param arr 待排序数组*@param n 数组长度*/
void QSort(int arr[], int n)
{//出口限制,如果排序数组的大小<=1,此时数组就不再排序if (n <= 1) return;//定义两个标记,i从左向右,j从右向左,锁定排序数组的区间int i = 0, j = n - 1;//选择排序数组的第一个元素作为基准值(可优化为取中法)int pivot = arr[0];//分区过程while (i < j){//从右向左查找第一个小于等于基准值的元素(<=基准值的数据)while (i < j && arr[j] > pivot) j--;//从左向右查找第一个大于基准值的元素(>基准值的数据)while (i < j && arr[i] <= pivot) i++;//交换这两个元素if (i < j){int temp = arr[i];arr[i] = arr[j];arr[j] = temp;}}//将基准值更新到正确位置(i == j)arr[0] = arr[i];arr[j] = pivot;//切割子数组QSort(arr,i);//左边部分QSort(arr+i+1,n-i-1);//右边部分
}int main(int argc,char *argv[])
{int arr[] = {23,45,56,78,33,22,19};int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);QSort(arr,n);//函数的参数是数组,传递的是这个数组的首地址,函数中可以修改实参数据,符合这种条件的参数称之为输出型参数//此时是可以直接遍历数组,此时的数组已经经过了修改for (int i = 0; i < n; i++){printf("%-4d",arr[i]);}printf("\n");return 0;
}
运行结果:
数组做函数参数
定义
当使用数组作为函数的实参时,形参应该使用数组形式或者指针变量来接收。需要注意的是:
-
这种传递方式并不是传递数组中的所有的元素数据,而是传递数组首地址,此时数组降级为指针。
-
形参接收到这个地址后,形参和实参指向同一块内存空间。
-
因此,通过形参对数组元素的修改会直接影响到实参。
这种传递方式称为“地址传递”(或“指针传递”),它与“值传递”的不同:
-
值传递:传递数据的副本,修改形参不影响实参
-
地址传递:传递数据的地址,通过形参可以修改实参。“地址传递”是逻辑上的说法,强调 传递的是地址,而不是数据本身。数据本质上还是值传递。
当使用数组作为函数的形参时,通常需要额外传递一个参数表示数组的元素个数。这是因为:
-
数组形参退化为指针 在函数参数传递时,数组名会退化为指向其首元素的指针(即
int arr[]
等价于int *arr
),因此函数内部无法直接获取数组的实际长度。 -
防止越界访问 由于形参仅知道数组的首地址,而不知道数组的实际大小,如果不传递元素个数,函数内部可能因错误计算或循环导致 数组下标越界(访问非法内存),引发未定义行为(如程序崩溃、数据损坏)。
-
通用性 即使实参数组的声明长度固定(如
int a[10]
),函数仍应接收元素个数参数,因为函数可能需要处理不同长度的数组(例如动态数组或部分填充的数组)。
案例:
#include <stdio.h>
/**
* 定义一个函数,将数组作为参数
*/
void fun(int arr[], int len) // 数组传参会被降级为指针,实际传递的是地址值
{for (int i = 0; i < len; i++) printf("%-4d",arr[i]); printf("\n");
}
void main()
{int arr[] = {11,22,33,44,55};int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);fun(arr,len);
}
但有一个例外,如果是用字符数组做形参,且实参数组中存放的是字符串数据(形参是字符数组,实参是字符串常量)。则不用表示数组个数的形参,原因是字符串本身会添加自动结束标志 \0
,举例:
#include <stdio.h>
/**
* 定义一个函数,传递一个字符串
*/
void fun(char arr[])
{char c;int i = 0;while((c = arr[i]) != '\0') // arr[i] → arr + i{printf("%c",c);i++;}
}
void main()
{fun("hello world");
**为什么sizeof不能用于形参数组?**在函数内部,sizeof(arr)返回的是指针的大小(32位系统返回4字节,64位系统返回8字节)。例如:
void printSize(int arr[])
{printf("%zu\n",sizeof(arr)); // 输出的是指针的大小(8字节),而非数组大小
}
案例
案例1
-
需求:
有两个数组a和b,各有5个元素,将它们对应元素逐个地相比(即a[0]与b[0]比,a[1]与b[1]比……)。如果a数组中的元素大于b数组中的相应元素的数目多于b数组中元素大于a数组中相应元素的数目(例如,a[i]>b]i]6次,b[i]>a[i] 3次,其中i每次为不同的值),则认为a数组大于b数组,并分别统计出两个数组相应元素大于、等于、小于的个数。
int a[10] = {12,12,10,18,5}; int b[10] = {111,112,110,8,5};
-
代码:
#include <stdio.h> #define LEN 5 /** * 定义一个函数,实现两个数字的比较 * @param x,y 参与比较的两个数字 * @return x>y--> 1, x<y-->-1, x==y-->0 */ int get_large(int x, int y) {int flag = 0;if (x > y) flag = 1;else if (x < y) flag = -1;return flag; } int main(int argc,char *argv[]) {// 定义a,b两个测试数组int a[LEN] = {12,12,10,18,5};int b[LEN] = {111,112,110,8,5};int max = 0, min = 0, k = 0;// 遍历数组,进行比较for (int i = 0; i < LEN; i++){// 同一位置两个数比较int res = get_large(a[i], b[i]);if (res == 1) max++;else if (res == -1) min++;else k++;}printf("max=%d,min=%d,k=%d\n", max, min, k);return 0; }
案例2
-
需求:编写一个函数,用来分别求数组score_1(有5个元素)和数组score_2(有10个元素)各元素的平均值 。
-
代码:
#include <stdio.h> /** * 定义一个函数,求一个数组的平均值 */ float get_avg(float scores[], int len) {int i;float aver, sum = scores[0]; // 平均值,总分// 遍历数组for (i = 1; i < len; i++) sum += scores[i];// 求平均分aver = sum / len;return aver; } int main(int argc,char *argv[]) {// 测试数组float scores1[] = {77,88,99,66,57};float scores2[] = {67,87,98,78,67,99,88,77,77,67};int len = sizeof(scores1) / sizeof(scores1[0]);int len2 = sizeof(scores2) / sizeof(scores2[0]);printf("%6.2f,%6.2f\n", get_avg(scores1, len),get_avg(scores2, len2));return 0; }
案例3
-
需求:编写一个函数,实现类似strcpy的效果 。
-
代码:
#include <stdio.h> /** * 自定义一个字符串拷贝函数 * @param source 源数组 * @param dest 需要替换的字符串 */ void _strcpy(char source[], const char dest[]) {// 遍历源数组,以源数组的大小作为循环for (int i = 0; source[i] != '\0'; i++){// 获取dest相应位置的字符source[i] = dest[i];} } int main(int argc,char *argv[]) {char str[] = "hello world!";printf("%s\n", str);_strcpy(str,"hi yifan!");printf("%s\n", str);_strcpy(str,"娇娇");printf("%s\n", str);return 0; }
变量的作用域
引入问题
我们在函数设计的过程中,经常要考虑对于参数的设计,换句话说,我们需要考虑函数需要几个参数,需要什么类型的参数,但我们并没有考虑函数是否需要提供参数,如果说函数可以访问到已定义的数据,则就不需要提供函数形参。那么我们到底要不要提供函数形参,取决于什么?答案就是变量的作用域(如果函数在变量的作用域范围内,则函数可以直接访问数据,无需提供形参)
变量作用域
**概念:**变量的作用范围,也就是说变量在什么范围有效。
变量的分类
根据变量的作用域不同,变量可以分为:
- 全局变量
说明:定义在函数之外,也称之为外部变量或者全程变量。
作用域:从全局变量定义到本源文件结束。
初始值:整型和浮点型,默认值是0;字符型,默认值是\0;指针型,默认值NULL
举例:
int num1; // 全局变量,num1能被fun1、fun2、main共同访问
void fun1(){}
int num2; // 全局变量,num2能被fun2、main共同访问
void fun2(){}
void main(){}
int num3; // 全局变量,不能被任何函数访问
- 局部变量
说明 | 作用域 | 初始值 |
---|---|---|
形式参数(形参) | 函数作用域 | 随机值,需要手动赋初值 |
函数内定义的变量 | 函数作用域 | 随机值,需要手动赋初值 |
复合语句中定义的变量 | 块作用域 | 随机值,需要手动赋初值 |
for循环表达式1定义的变量 | 块作用域 | 随机值,需要手动赋初值 |
举例:
// a,b就是形式参数(局部变量)
int add(int a, int b)
{return a + b;
}
int add2(int a, int b)
{// z就是函数内定义的变量(局部变量)int z = a + b;return z;
}
int list(int arr[], int len)
{// i就是for循环表达式1的变量(局部变量)for(int i = 0; i < len; i++){// num就是复合语句中定义的变量(局部变量)int num = arr[i];}
}
使用全局变量的优缺点:
优点:
- 利用全局变量可以实现一个函数对外输出的多个结果数据。
- 利用全局变量可以减少函数形参的个数,从而降低内存消耗,以及因为形参传递带来的时间消耗。
缺点:
-
全局变量在程序的整个运行期间,始终占据内存空间,会引起资源消耗。
-
过多的全局变量会引起程序的混乱,操作程序结果错误。
-
降低程序的通用性,特别是当我们进行函数移植时,不仅仅要移植函数,还要考虑全局变量。
-
违反了“高内聚,低耦合”的程序设计原则。
总结:
我们发现弊大于利,建议尽量减少对全局变量的使用,函数之间要产生联系,仅通过实参+形参的方式产生联系。
作用域举例
注意:
如果全局变量和局部变量同名,程序执行的时候,就近原则(区分作用域)
int a = 10; // 全局变量 全局作用域
int main()
{int a = 20; // 局部变量 函数作用域printf("%d\n", a); // 20 就近原则for (int a = 0; a < 5; a++) // 局部变量 块作用域{printf("%d", a); // 0 1 2 3 4 就近原则}printf("%d\n",a); // 20 就近原则
}
变量的生命周期
定义
**概念:**变量在程序运行中的存在时间(内存申请到内存释放的时间)
根据变量存在的时间不同,变量可分为静态存储方式和动态存储方式
变量的存储类型
语法:
变量的完整定义格式: [存储类型] 数据类型 变量列表;
存储类型:
-
auto
auto存储类型只能修饰局部变量,被auto修饰的局部变量是存储在动态存储区(栈区和堆区)的。auto也是局部变量默认的存储类型。
int main() {int a;int b;// 以下写法等价于上面写法auto int a;auto int b;int a,b;// 以下写法等价于上面写法auto int a,b; }
-
static
**修饰局部变量:**局部变量会被存储在静态存储区。局部变量的生命周期被延长。但是作用域不发生改变,不推荐
**修饰全局变量:**全局变量的生命周期不变,但是作用域衰减,一般限制全局变量只能在本源文件内访问,其他文件不可访问。
**修饰函数:**被static修饰的函数,只能被当前文件访问,其他引用该文件的文件是无法访问的,有点类似于java中private
-
extern
外部存储类型:只能修饰全局变量,此全局变量可以被其他文件访问,相当于扩展了全局变量的作用域。
extern修饰外部变量,往往是外部变量进行声明,声明该变量是在外部文件中定义的。起到一个标识作用。函数同理。
demo01.c
#include "demo01.h" int fun_a = 10; int fun1(){..}
demo02.c
#include "demo01.h" // 声明访问的外部文件的变量 extern int fun_a; // 声明访问的外部文件的函数 extern int fun1(); int fun2();
-
register
寄存器存储类型:只能修饰局部变量,用register修饰的局部变量会直接存储到CPU的寄存器中,往往将循环变量设置为寄存器存储类型(提高读的效率)
for (register int i = 0; i < 10; i++) {... }
面试题
static关键字的作用
-
static修饰局部变量,延长其生命周期,但不影响局部变量的作用域。
-
static修饰全局变量,不影响全局变量的生命周期,会限制全局变量的作用域仅限本文件内使用(私有化);
-
static修饰函数:此函数就称为内部函数,仅限本文件内调用(私有化)。
static int funa(){..}
-
内部函数和外部函数
- 内部函数:使用static修饰的函数,称作内部函数,内部函数只能在当前文件中调用。
- 外部函数:使用extern修饰的函数,称作外部函数,extern是默认的,可以不写(区分编译环境),也就是说本质上我们所写的函数基本上都是外部函数,建议外部函数在被其他文件调用的时候,在其他文件中声明的时候,加上extern关键字,主要是提高代码的可读性。
,此全局变量可以被其他文件访问,相当于扩展了全局变量的作用域。
extern修饰外部变量,往往是外部变量进行声明,声明该变量是在外部文件中定义的。起到一个标识作用。函数同理。
demo01.c
#include "demo01.h"
int fun_a = 10;
int fun1(){..}
demo02.c
#include "demo01.h"
// 声明访问的外部文件的变量
extern int fun_a;
// 声明访问的外部文件的函数
extern int fun1();
int fun2();
-
register
寄存器存储类型:只能修饰局部变量,用register修饰的局部变量会直接存储到CPU的寄存器中,往往将循环变量设置为寄存器存储类型(提高读的效率)
for (register int i = 0; i < 10; i++) {... }
面试题
static关键字的作用
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static修饰局部变量,延长其生命周期,但不影响局部变量的作用域。
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static修饰全局变量,不影响全局变量的生命周期,会限制全局变量的作用域仅限本文件内使用(私有化);
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static修饰函数:此函数就称为内部函数,仅限本文件内调用(私有化)。
static int funa(){..}
-
内部函数和外部函数
- 内部函数:使用static修饰的函数,称作内部函数,内部函数只能在当前文件中调用。
- 外部函数:使用extern修饰的函数,称作外部函数,extern是默认的,可以不写(区分编译环境),也就是说本质上我们所写的函数基本上都是外部函数,建议外部函数在被其他文件调用的时候,在其他文件中声明的时候,加上extern关键字,主要是提高代码的可读性。