掌握 C++ 中 static 关键字的多种使用场景

static是什么

在最开始C中引入了static关键字可以用于修饰变量和函数，后来由于C++引入了class的概念，现在static可以修饰的对象分为以下5种：

成员变量，成员函数，普通函数，局部变量， 全局变量

static的作用

修饰成员变量

static修饰成员变量之后，该变量会属于该类，而不是某一个该类的对象。举个例子，Student类种有一个count的变量，在使用static关键字修饰之后，所有Student的对象共用这1个count。

调用方式会发生改变，无法通过 对象名 + . 变量名来调用，而是需要通过类名 + 作用域(: + 变量名来调用，举个例子

Studnet s1;
// 会编译警告 Clang-Tidy: Static member accessed through instance 通过实例调用静态成员变量
cout << s1.count << '\n';
// ok
cout << Studnet::count << '\n';

修饰成员函数

和成员变量一样，使用static修饰的成员函数的生命周期和使用方式都发生了变化

通过static修饰的函数，如果访问非static成员变量，编译器会直接报错

修饰普通函数

函数的作用域会发声变化，被static修饰的普通函数只能在本文件内可以见，同一个程序的其他文件将无法调用该函数。可以在一定程度上解决命名冲突的问题，不过C++提供了namespace，所以一般不用于修饰普通函数。

修饰全局变量

和修饰普通函数一样，被static修饰的全局变量的可见性会发生变化，其他文件将无法调用该全局变量，其余和普通全局变量没有区别

修饰局部变量

static修饰的局部变量被初始化一次之后，每次函数调用都继续使用之前的值，而不是重新进行初始化操作

如何使用static

成员变量

通过在成员变量前面加上关键字static即可

class Studnet {
private:
    static int count;
};

// static修饰的成员变量只能在类外初始化
int Student::count = 0;

// C++17之后可以通过inline的方式在类内初始化，例如
class Studnet2 {
private:
    static inline int count = 0;
};

成员函数

class Studnet {
public:
    static int init(int number1, int number2) {
        age = number1; // 编译报错 Invalid use of member 'age' in static member function
      	count = number2; // ok
    }

private:
    static inline int count = 0;
    int age = 18;
};

普通函数

static int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

全局变量

static int count = 2;

局部变量

void print() {
    static int a = 0;
    ++a;
    cout << a << endl;
}

底层原理

之所以被static修饰的变量或者函数的生命周期会超越支配其所在的作用域的本质是因为它在内存中的存储位置发生了变化

操作系统为每一个程序创建一个进程用于分配程序运行时需要的资源，其中就包括虚拟内存空间。其中用户区的空间分为4个区域，从低位到高位分别为，全局区，堆区，共享区和栈区

而局部变量存放在栈区，随着函数的调用和返回被构造和析构，在底层操作系统的角度来看，就是将该变量占用的内存空间给回收了

而成员变量根据实例被声明的方式，如果是new关键字定义的就存放在堆区，否则就在栈区。如果是堆区的对象，不会随着作用域的离开被析构，只能通过delete关键字手动释放或者程序结束后被操作系统自动回收

而static修饰之后，操作系统会将该变量存放在全局区，全局区的变量只会初始化一次，并且在程序结束后被操作系统回收。这也就是为什么static修饰的变量的生命周期会和程序一样长的底层原理

而全局区通常存放的是全局变量，静态成员变量和静态局部变量。因为全局变量本来就存放在全局区，所以给全局变量加static和不加，除了可见性之外，没有什么区别