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6.7 - 外部链接和变量前向声明

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"Key Takeaway"

  • 具有外部链接的标识符，可以在定义它们的文件中被使用，也可以通过前向声明在其他文件中使用。
  • 链接是标识符的选项，而不是变量的属性，因此函数也有链接属性
  • 函数是默认外部链接的，可以用static修改为内部链接
  • 具有外部链接的全局变量有时候也称为外部变量。使用 extern 关键字可以将全局变量定义为外部变量（使其可以在其他文件中访问）。非常量的全局变量默认是外部变量。
  • 前向声明一个定义在其他文件中的外部变量，也需要使用 extern 关键字
  • 如果你希望定义一个未初始化的非const全局变量。请不要使用 extern关键字，否则 C++ 会认为你是在前向声明某个变量
  • 在C++中，所有全局变量都具有“文件作用域”，同时链接属性则决定了它们是否可以被其他文件使用。

在前面的课程中 (6.6 - 内部链接)，我们讨论了如何使用内部链接将标识符限定在一个单独的文件中。在本节课中，我们会探讨外部链接。

具有外部链接的标识符，可以在定义它们的文件中被使用，也可以在其他文件中被使用（通过前向声明）。从这个意义上来讲，具有外部链接的变量才是真正的*”全局“变量，因为它可以在程序的任何地方被使用。

函数默认具体外部链接属性

在2.8 - 多文件程序中我们介绍过，你可以在一个文件中调用另外一个文件中的函数，这是因为函数默认具有外部链接属性。

为了能够调用其他文件中的函数，必须要在使用该函数的文件中进行前向声明。前向声明告诉编译器函数的存在，然后链接器可以将函数调用关联到实际的定义。

例如：

a.cpp
#include <iostream>
 
void sayHi() // 函数默认具有外部链接，在其他文件中可见
{
    std::cout << "Hi!";
}
main.cpp
void sayHi(); // 对函数进行前向声明，使该函数在这个文件中可以被访问
 
int main()
{
    sayHi(); // 调用其他文件中的函数，链接器会将调用关联到函数的定义
 
    return 0;
}

打印结果：

Hi!

在上面的例子中，sayHi() 被前向声明在 main.cpp 中，这使得 main.cpp 可以访问定义在a.cpp 中的 sayHi() 。前向声明满足了编译器的需要，而链接器也能够将函数调用关联到函数定义。

如果sayHi()具有内部链接属性，则链接器便不能够将函数调用关联到函数定义，会产生链接错误。

具有外部链接的全局变量

具有外部链接的全局变量有时候也称为外部变量(external variable)。使用 extern 关键字可以将全局变量定义为外部变量（使其可以在其他文件中访问）：

int g_x { 2 }; // 非常量的全局变量默认是外部链接
 
extern const int g_y { 3 }; // const 全局变量可以被定义为 extern，使其成为外部变量
extern constexpr int g_z { 3 }; // constexpr 全局变量可以被定义为 extern，使其成为外部变量 (但是没有意义)
 
int main()
{
    return 0;
}

非常量的全局变量默认是外部链接（即使使用 extern也会被忽略）。

使用 extern 关键字进行变量的前向声明

为了使用定义在其他文件中的全局外部变量，你同样需要在使用它的文件中对其进行前向声明。对于变量来说，创建前向声明还需要使用extern关键字（不需要初始化值）。

下面是一个前向声明的例子：

a.cpp
// 全局变量定义
int g_x { 2 }; // 非常量的全局变量默认是外部链接
extern const int g_y { 3 }; // extern 为 g_y 创建外部链接
main.cpp
#include <iostream>
 
extern int g_x; // 这个 extern 是变量 g_x的前向声明，g_x被定义在其他文件
extern const int g_y; // 这个 extern 是 const 变量 g_y 的前向声明，它也被定义在其他文件
 
int main()
{
    std::cout << g_x; // prints 2
 
    return 0;
}

在上面的例子中，a.cpp 和 main.cpp 都引用了一个相同的全局变量 g_x。因此，即使 g_x 是在 a.cpp中定义和初始化的，我们仍然可以在 main.cpp 中使用它（需要对g_x进行前向声明）。

注意，extern 关键字在不同的语境下有不同的含义。有些语境下，extern 表示 “为变量创建外部链接”。而在另外的语句下，extern 表示 “这是一个定义在其他地方的外部变量的前向声明”。的确有点绕，所以我们会在6.11 - 作用域和链接小结中对这些问题进行详细的总结。

"注意"

如果你希望定义一个未初始化的非const全局变量。请不要使用 extern关键字，否则 C++ 会认为你是在前向声明某个变量。

"注意"

尽管 constexpr 变量可以通过 extern 关键字赋予外部链接属性，但是由于它们并不能被前向声明，所以这么做并无意义。 这是因为编译器在编译时就必须指定 constexpr 变量的值。如果该变量被定义在其他文件中，那么编译器将无法知道它的值。

注意，函数的前向声明不需要使用 extern 关键字——编译器可以通过是否有函数体来判断此处是在定义一个新的函数，还是在进行前向声明。变量的前向声明是需要 extern 关键字的，它可以帮助区分变量定义和变量前向声明（看上去可能会完全一样）：

// 非常量
int g_x; // 变量声明也是定义 (可以初始化也可以不初始化)
extern int g_x; // 前向声明 (无初始化值)
 
// 常量
extern const int g_y { 1 }; // 变量定义(const必须要初始化)
extern const int g_y; // 前向声明 (无初始化值)

文件作用域 vs. 全局作用域

“文件作用域”和“全局作用域”这两个术语可能会令人感到困惑，这主要是因为在非正式场合它们的用法不够严谨。从技术上来讲，在 C++中，所有全局变量都具有“文件作用域”，同时链接属性则决定了它们是否可以被其他文件使用。

考虑下面程序：

global.cpp
int g_x { 2 }; // 默认是外部链接
// g_x 从这里离开作用域
main.cpp
extern int g_x; // 对 g_x 进行前向声明，从此时开始 g_x 可以被该文件使用。
 
int main()
{
    std::cout << g_x; // should print 2
 
    return 0;
}
//  g_x 的前向声明从此离开作用域

变量 g_x 具有文件作用域（global.cpp）—— 它可以被使用的范围从定义开始，到文件结束为止，但是它不能直接在 global.cpp 以外的地方被使用。

在 main.cpp 中，g_x 的前向声明具有文件作用域——它可以被使用的范围从声明开始，到文件结束为止。

不过，我们通常非正式地将“文件作用域”用来描述具有内部链接的变量，而用“全局作用域”来描具有外部链接的变量（因为这类变量可以通过前向声明在整个程序中被使用）。

小结

// 外部全局变量定义
int g_x;                       // 定义外部全局变量但不初始化（默认初始化为0） 
extern const int g_x{ 1 };     // 定义初始化的 const 外部全局变量
extern constexpr int g_x{ 2 }; // 定义初始化的 constexpr 外部全局变量
 
// Forward declarations
extern int g_y;                // 前向声明非常数的全局变量
extern const int g_y;          // 前向声明 const 的全局变量
extern constexpr int g_y;      // 不允许这样做：constexpr 变量不能前向声明

我们会在 6.11 - 作用域和链接小结中对相关内容进行更详细的总结。

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