寫C、C++代碼的小伙伴一定在頭疼變量的作用域、生存期、存儲類別問題。什么靜態、外部、寄存器、局部、全局搞得一頭霧水。今天咱們就來梳理一下他們的變態關系（什么不得了的事情？？？）
1、變量的作用域
說白了，作用域就是一個”代碼塊“，也就是大括號包裹的那一段東西。包括函數體、控制語句塊這些。大家應該都有所耳聞。
#include<stdio.h>
int x = 5; // 全局變量
int main() {
printf("%d ",x);
int x = 6; // 局部變量
printf("%d ",x); // 輸出結果是5還是6？
return 0;
}
這段代碼算很經典了。它展示了不同定義位置的變量的作用域。
首先一個輸出肯定是5，毫無懸念。但是下面那個就不同了，因為在main函數中又出來一個同名的局部變量。C++遵循向上覆蓋原則，在一個代碼塊的子塊中定義的變量，覆蓋掉原塊中定義的變量。所以，下面那個輸出應該是6。一旦在子塊中定義了同名變量，這個塊外部的變量就不可見了。所以，實際編程要避免這種情況。
但C++提供了一種叫做“作用域運算符”的東西，也就是::。這個運算符可以使得全局變量重新可見。比如我在x = 6定以后想再用全局變量的值，就可以這樣寫：printf("%d", ::x);這樣輸出就是5了。這個運算符大家應該都見過，在類和namespace中經常使用。但不管怎么說，除非是在class和namespace中，其它的情況應該嚴格避免內外作用域的變量重名。
說了這么多，作用域的概念給大家：作用域，就是從變量定義開始到所在代碼塊或文件結束為止，對編譯器可見的范圍。
如果對上面這些概念不理解，就往下看，局部變量和全局變量的概念。
2、局部變量和全局變量
局部變量，是指在一個函數內部定義的變量。它的作用域從定義（或聲明）開始，到函數結束。它只對函數本身可見，對函數外部不可見。任何手段都無法訪問函數內部的變量。因為除了main函數之外，其它函數都不是程序實體，它只提供了一個模塊運行的模板，里面的變量只是為了這個函數服務，函數外部引用它沒有意義。
為了方便往下講，先說一下生存期的概念。作用域是個靜態概念，表示變量的可見范圍，是對編譯器而言的，而生存期是動態概念，表示變量在內存中的創建、使用、銷毀過程，是運行時概念。生存期是指變量從創建到被操作系統回收的這一段時間。縮句的話，作用域是代碼范圍，生存期是時間范圍。
回到正題，局部變量的生存期，就是從函數創建它開始，到函數調用完畢，被操作系統回收這一段時間。
我們知道，一個進程有一段棧空間，函數調用的過程是用棧管理的。棧保存函數的參數、局部變量、返回地址。當一個函數被調用時，CPU首先把當前執行地址保存到一個特殊寄存器中，作為這一函數的返回地址。然后，CPU跳轉到函數入口地址，棧頂指針擴展一幀，棧空間隨之增長。把剛才的返回地址保存到棧中，並從棧中加載參數。之后就是執行過程。執行完畢后，從棧中取出返回地址，CPU跳回這一地址。最后棧頂指針回退一幀，這一函數的棧空間將被釋放，局部變量也就隨之銷毀。
上面這一段看不懂也沒關系，如果你們學過匯編語言和操作系統，就會明白這是一個怎樣的過程。總之，需要記住局部變量是在函數調用並執行到定義語句時創建，函數返回時銷毀。
全局變量，是指不在任何函數內定義的變量。它定義在文件的頂層，對任何函數都可見（我們從現在起，假設任何函數中沒有和全局變量重名的局部變量）。
全局變量的作用域是從定義開始到這個文件結束。其實這種說法不精確，因為全局變量可以被其他文件調用，這就是外部變量，我們稍后再講。
和局部變量不同，全局變量是在進程創建（注意進程創建和main函數調用是兩個概念，進程創建包括代碼加載、數據加載、內存空間分配過程，是操作系統完成的，而main函數是進程調用的）時同時創建的。所以，全局變量在main函數調用之前就已經存在了。一個進程的地址空間分為代碼段、數據段、用戶段，代碼段就是機器指令（參看馮諾依曼體系結構），數據段就是我們所說的全局變量，而用戶段是供進程運行過程中動態分配內存的。我們剛才說的棧空間就在用戶段。所以說，全局變量的存儲位置和局部變量完全不同。
全局變量又分為已初始化的和未初始化的。已初始化的全局變量，操作系統會自動為其初始化值，放在數據段前部，而未初始化的全局變量，則會放在數據段的后部，並自動清零。所以，你看到未初始化的全局變量初始值都是0。
全局變量的生存期從進程創建開始，一直到進程運行完畢，所有內存被操作系統回收位置為止。
另外，在不是函數的代碼塊中創建的局部變量，也是類似的。比如
int s = 0;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
s += i;
int t = s;
}
printf("%d %d %d", i, s, t); // 錯誤，i和t只對for循環體可見
3、變量存儲類別
說完了生存期、作用域的概念，我們再來看變量存儲類別。
變量的存儲類別分為自動（auto），靜態（static），外部（extern）和寄存器（register）四種。
3.1、自動變量
注意，雖然叫auto變量，但是，auto關鍵字在C++11中已經不再是“自動變量”的意思，而是“自動類型推斷”。所以，不要試圖用auto關鍵字來創建自動變量。
比如：
auto a = 1;
printf("%d\n", a); // a的類型自動推斷為整型
auto int b = 2; // 錯誤，auto是指自動類型推斷，不可以與類型標識符連用
printf("%d\n", b);
我們剛才所說的變量，都是自動變量。所謂自動變量，就是按照操作系統的內存分配和回收規則來管理的變量，不需要程序員干預，動態管理。如果是局部變量，則由棧空間保存，全局變量則由數據段保存。
3.2、靜態變量和外部變量
這個是難點中的難點，大家一定要仔細看。
3.2.1、靜態局部變量
我們剛才說的局部變量，是自動局部變量，也就是說作用域和生存期是捆綁的，一旦出了作用域，則銷毀，不再可見。而靜態局部變量則不同。它和全局變量一樣，是放在數據段中的，只初始化一次，下次調用這個函數時，保留原來的值，繼續使用。如下：
int count() {
static int cnt = 0;
return ++cnt;
}
如果cnt是個自動局部變量，則每次調用函數的時候，都要初始化為0，所以每次的返回值都是1。但定義成靜態局部變量就不同了，它在函數調用結束后並不銷毀，保留原來的值，下一次調用時，初始化語句是不起作用的，所以它返回的是函數被調用的次數。
本質上，靜態局部變量和全局變量的生存期完全相同，只是作用域不同。剛才說了，作用域是相對於編譯器來說的，所以靜態局部變量編譯器提供的“語法糖”，為避免全局變量重名造成干擾而引入的機制。
3.2.2、外部變量和靜態全局變量
在講靜態全局變量之前，我們來先講一下外部變量。
我們剛才說的全局變量，僅僅是對本文件可見嗎？No，它對其他文件也可見。我們編譯C++程序的時候，往往不止一個源文件，如果1.cpp要調用2.cpp的某個全局變量，怎么辦呢？
答案就是，使用extern聲明。比如main.cpp的內容：
#include<stdio.h>
int a[20];
void operate(); // 函數聲明
int main() {
operate();
for (int i = 0; i < 20; i++) {
printf("%d ",a[i]);
}
}
operate.cpp中內容：
extern int a[20]; // extern聲明
void operate() {
a[0] = 0;
a[1] = 1;
for (int i = 2; i < 20; i++) {
a[i] = a[i-1] + a[i-2];
}
}
編譯命令：g++ main.cpp operate.cpp -o main.exe
運行結果：0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377 610 987 1597 2584 4181
是不是很神奇？就像一個文件調用其他文件定義的函數一樣，其他文件的全局變量也是可以使用的，只不過需要聲明為extern。所以，外部變量是這樣一個概念。把它類比成函數聲明就行。
說完了外部變量，我們來說靜態全局變量。剛才說到，全局變量可以被其他文件所引用，如果我們不想讓它被其他文件引用，怎么辦？答案就是，把這個全局變量加上static修飾。這時，static已經不再是靜態的概念，而是阻止其它文件調用的意思。所以，靜態全局變量這個稱呼太過直譯，有點誤導。正確的叫法是文件內變量。
最初C++團隊想增加一個intern關鍵字來表示這種變量，但是遭到廣大程序員強烈反對，本着關鍵字能少即少的原則，就對static進行了“重載”，賦予了這么一個功能。其實我覺得還不如直接叫intern，static總是讓人誤會。
static也可以修飾函數，這表示，其他文件不可調用這個函數。如果把operate.cpp中的operate()定義成static void operate()，則編譯報錯。
3.3、寄存器變量
說完了最難的，咱們來放松一下。寄存器是CPU的一些存儲部件，它用來存放立即就要參加CPU運算的數據。它的讀寫速度是納秒級別，比內存、緩存都快至少2~3個數量級。
用register關鍵字聲明的變量，叫做寄存器變量。表示，通知編譯器把這個變量直接放在寄存器中而不是內存中，對一些頻繁訪問的變量，這樣可以加快速度。但是，僅僅是通知編譯器這樣做，而編譯器可能不會理會你的聲明，而仍然把變量放在內存中。因為寄存器個數非常少，我們PC機的64位x86 CPU，只有8個通用寄存器，其中還有兩個不是存放普通數據的。即使是寄存器較多的MIPS CPU，也只有32個。
另外需要注意的一點，就是寄存器變量不可以使用取地址運算符&，也不可以用指針指向它。因為寄存器沒有地址，指針只能保存內存地址值，而不能保存寄存器。
4、類中的static
4.1、靜態字段
類中的字段分為普通字段和靜態字段。普通字段在類對象創建時被創建，它的生存期和類對象是捆綁的，同生共死。而靜態字段，不依賴於對象創建，它被保存在數據段中。引用靜態字段，可以用成員運算符，也可以用作用域運算符。
class Point {
private:
int x;
int y;
public:
static int cnt; // 其實這是不安全的，容易被篡改，應該設為private。但是作為一個例子來講解靜態字段
Point(int xx, int yy) {
cnt++; // 對當前擁有的對象個數計數
x = xx;
y = yy;
}
~Point() {
cnt--;
}
};
static int Point::cnt = 0; // 靜態變量初始化必須在類外進行，除非它是const的
int main() {
printf("%d ", Point::cnt); // 類名訪問
Point p(3, 4);
printf("%d ", p.cnt); // 對象名訪問
Point *pp = new Point(5, 6);
printf("%d ", pp->cnt); // 指針訪問
delete pp;
printf("%d ", Point::cnt);
return 0;
}
4.2、靜態方法
靜態方法和普通方法不同，它也是所有類對象共享的。可以通過類名調用，也可以通過對象名調用。把剛才的類改一下：
class Point {
private:
int x;
int y;
static int cnt;
public:
Point(int xx, int yy) {
cnt++; // 對當前擁有的對象個數計數
x = xx;
y = yy;
}
static int getCnt() {
return cnt;
}
/*
static int getX() {
return x;
}
*/ // 這個函數是錯誤的，靜態方法不可引用非靜態字段
~Point() {
cnt--;
}
};
static int Point::cnt = 0;
int main() {
printf("%d ", Point::getCnt()); // 類名訪問
Point p(3, 4);
printf("%d ", p.getCnt()); // 對象名訪問
Point *pp = new Point(5, 6);
printf("%d ", pp->getCnt()); // 指針訪問
delete pp;
printf("%d ", Point::getCnt());
return 0;
}
注意，靜態方法不可訪問非靜態字段，也不可調用非靜態方法。
4.3、靜態內部類
內部類分為普通內部類和靜態內部類兩種。它們唯一的不同就是，普通內部類是外部類的“奴隸”，它不僅受制於外部類，而且一切字段不能對外部類隱藏，即使是private。而靜態內部類則不同，相當於放在某個類內部的外部類，private字段是不可訪問的。所以靜態內部類也叫嵌套類。和Java是一樣的。
比如：
class aaa {
private:
class bbb {
private:
int a;
};
static class ccc {
private:
int a; // a對外不可見
};
public:
bbb bb;
ccc cc;
int bbbb() {
return bb.a; // 正確
}
int cccc() {
return cc.a; // 錯誤
}
};