Время жизни и область действия
Понятия "время жизни" и "область действия" являются очень важными для понимания структуры программ на языке Си. Время жизни переменной может быть либо "глобальным", либо "локальным". Объект с глобальным временем жизни характеризуется тем, что в течение всего времени выполнения программы с ним ассоциирована ячейка оперативной памяти и значение. Объекту с локальным временем жизни выделяется новая ячейка памяти при каждом входе в блок, в котором он определен или объявлен. Когда выполнение блока завершается, память, выделенная под локальный объект, освобождается и, следовательно, локальный объект теряет значение.
Блок представляет собой составной оператор. Составные операторы могут содержать объявления и операторы (см. раздел 5.3 "Составной оператор").
Тело функции представляет собой блок. Блоки в свою очередь могут содержать внутри себя другие, вложенные блоки. Из этого следует, что функции имеют блочную структуру. Однако функции не могут быть вложенными, т.е. определение функции не может содержаться внутри определения другой функции.
Объявления и определения, записанные внутри какого-либо блока (т. е. на внутреннем уровне), называются внутренними. Объявления и определения, записанные за пределами всех блоков (т. е. на внешнем уровне), называются внешними. Переменные и функции могут быть объявлены как на внешнем уровне, так и на внутреннем. Переменные могут быть также определены на внутреннем уровне, а функции определяются только на внешнем уровне.
Все функции имеют глобальное время жизни. Переменные, определенные на внешнем уровне, всегда имеют глобальное время жизни. Переменные, определенные на внутреннем уровне, имеют локальное время жизни, однако путем указания для них спецификации класса памяти static можно сделать их время жизни глобальным.
Область действия объекта определяет, в каких участках программы допустимо использование имени этого объекта. Так, объект с глобальным временем жизни существует в течение всего времени выполнения программы, однако он доступен только в тех частях программы, на которые распространяется его область действия. Область действия объекта распространяется на блок или исходный файл, если в этом блоке или исходном файле известны тип и имя объекта. Объект может иметь глобальную или локальную область действия. Глобальная область действия означает, что объект доступен, или может быть через соответствующие объявления сделан доступным в пределах всех исходных файлов, образующих программу. Этот вопрос рассматривается в разделе 3.6 "Классы памяти". Локальная область действия означает, что объект доступен только в том блоке или файле, в котором он объявлен или определен.
Область действия переменной, объявленной на внешнем уровне, распространяется от точки программы, в которой она объявлена, до конца исходного файла, на все функции и вложенные блоки, за исключением случаев локального переобъявления (см. ниже). Область действия этой переменной можно распространить и на другие исходные файлы путем ее объявления в этих файлах (см. раздел 3.6 "Классы памяти"). Однако область действия переменной, объявленной на внешнем уровне с классом памяти static, распространяется только до конца исходного файла, содержащего ее объявление.
Область действия переменной, объявленной на внутреннем уровне, распространяется от точки программы, в которой она объявлена, до конца блока, содержащего ее объявление. Такая переменная называется локальной.
Если переменная, объявленная внутри блока, имеет то же самое имя, что и переменная, объявленная на внешнем уровне, то внутреннее объявление переменной заменяет (вытесняет) в пределах блока внешнее объявление. Этот механизм называется локальным переобъявлением переменной. Область действия переменной внешнего уровня восстанавливается при завершении блока.
Блок, вложенный внутрь другого блока, может в свою очередь содержать локальные переобъявления переменных, объявленных в охватывающем блоке. Локальное переобъявление переменной имеет силу во внутреннем блоке, а действие ее первоначального объявления восстанавливается, когда управление возвращается в охватывающий блок. Область действия переменной из внешнего (охватывающего) блока распространяется на все внутренние (вложенные) блоки, за исключением тех блоков, в которых она локально переобъявляется.
Область действия типов, созданных программистом, подчиняется тем же правилам, что и область действия переменных.
Использование функций в языке Си имеет некоторые отличия от использования переменных. Во-первых, как уже говорилось, на внутреннем уровне функция может быть только объявлена, а на внешнем уровне — и объявлена, и определена. Во-вторых, для работы с переменной ее необходимо предварительно явно объявить, а для того, чтобы вызвать функцию, это необязательно. Вызов функции компилятор языка Си рассматривает как неявное объявление функции с типом возвращаемого значения int
и классом памяти extern. Если далее в файле встретится объявление или определение этой функции с другими атрибутами, компилятор сообщит об ошибке.
Область действия функции, объявленной со спецификацией класса памяти static, распространяется на весь исходный файл, в котором она объявлена, т.е. она может быть вызвана из любой точки этого файла, за исключением тех блоков, в которых она локально переобъявляется. Например, в каком-то блоке может быть объявлена функция с тем же именем и классом памяти extern, определенная в другом файле.
Область действия функции, объявленной с классом памяти extern,
распространяется на все исходные файлы программы, т.е. она может быть вызвана из любой точки любого файла, за исключением блоков, в которых она локально переобъявляется. Например, если в каком-то из файлов на внешнем уровне объявлена функция с тем же именем и классом памяти static, то именно она будет вызываться в этом файле.
Помимо вызова, существует еще одна операция, применимая к функции, — получение ее адреса. Для этой операции функция ничем не отличается от переменной, поэтому функция должна быть предварительно объявлена. Для операции получения адреса область действия функции не зависит от се класса памяти и распространяется от точки объявления функции до конца исходного файла, за исключением случаев локального переобъявления.
В таблице 2.1 показана взаимосвязь основных факторов, которые определяют время жизни и область действия функций и переменных. При обсуждении области действия переменных мы использовали термин "объявление"; в таблице 2.1 конкретизировано для каждого случая, идет ли речь об объявлении или определении. Область действия функций в таблице 2.1 показана под углом зрения операции получения адреса, а не операции вызова функции. Более подробная информация о влиянии спецификаций класса памяти на область действия объекта приведена в разделе 3.6 "Классы памяти".
Таблица 2.1.
|
Уровень |
Объект |
Спецификация класса памяти |
Время жизни |
Область действия |
|
Внешний |
Определение переменной |
static |
Глобальное |
Остаток исходного файла |
|
Объявление переменной |
extern |
Глобальное |
Остаток исходного файла |
|
|
Объявление или определение функции |
static или extern |
Глобальное |
Остаток исходного файла |
|
|
Внутренний |
Объявление переменной |
extern |
Глобальное |
Блок |
|
Определение переменной |
static |
Глобальное |
Блок |
|
|
Определение переменной |
auto или register |
Локальное |
Блок |
|
|
Объявление функции |
extern или static |
Локальное |
Остаток исходного файла |
Следующий пример программы иллюстрирует понятия блочной структуры, времени жизни и области действия переменных.
/* i определяется на внешнем уровне */
int i = 1;
/* функция main определяется на внешнем уровне */
main()
{
/* печатается 1 (значение переменной i внешнего уровня) */
printf("%d\n", i);
/* первый вложенный блок */
{
/* i переопределяется */
int i = 2, j = 3;
/* печатается 2, 3 */
printf("%d\n%d\n", i, j);
/* второй вложенный блок */
{
/* i переопределяется */
int i = 0;
/* печатается 0, 3 */
printf("%d\n%d\n, i, j);
/* конец второго вложенного блока */
}
/* печатается 2 (восстановлено определение i в охватывающем блоке) */
printf("%d\n", i);
/* конец первого вложенного блока */
}
печатается 1 (восстановлено определение внешнего уровня)*/
printf("%d\n", i);
/* конец определения функции main */
}
В этом примере показано четыре уровня области действия: самый внешний уровень и три уровня, образованных блоками. Функция printf
определена в библиотеке стандартных функций (см. раздел 12). Функция main печатает значения 1, 2, 3, 0,3,2,1.
