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2.5 - 局部作用域

Key Takeaway

函数形参也是局部变量
变量的创建和销毁都是在运行时发生的，因此，生命周期是一个运行时属性。而作用域是一个编译时属性
对象的创建和初始化不晚于其定义，而销毁则不能早于花括号的结尾，这点必须保证
出于优化的目的，对象可以被早一点创建或晚一点销毁。多数时候，局部变量会在函数进入时创建，并以相反的顺序在函数退出时销毁。
超出作用域和离开作用域描述的对象不同，前者描述标识符，后者描述对象
尽量在局部变量第一次被使用前最近的地方定义该局部变量

局部变量

函数的形参和函数内部定义的变量一样，都是局部变量(local variable) (局部变量是和全局变量(global variable)相对的概念，在后面的课程中我们会介绍全局变量）。

int add(int x, int y) // function parameters x and y are local variables
{
    int z{ x + y }; // z is a local variable too

    return z;
}

本节课将详细介绍局部变量所具有的一些属性。

局部变量生命周期

在1.3 - 对象和变量中我们讨论了以形如 int x; 的方式定义变量是如何在语句执行时实例化变量的。函数的形参是在进入函数时被创建和初始化的，函数体内的函数则是在定义时创建并初始化的。

例如：

int add(int x, int y) // x 和 y 在此处创建并初始化
{
    int z{ x + y }; // z 在此处被创建和初始化

    return z;
}

此时我们不经要问，”那么实例化的变量是在何时被销毁的呢？“。局部变量是在包含其定义的一组花括号的结尾时销毁的，其销毁的顺序和定义顺序正好相反（对于形参来说，则是在函数结束时销毁）。

int add(int x, int y)
{
    int z{ x + y };

    return z;
} // z, y, and x destroyed here

正如人的生命周期被定义为其出生到死亡的这段时间一样，变量的生命周期(lifetime)指的是该变量被创建到被销毁的这段时间。注意，变量的创建和销毁都是在程序运行的时候发生的（称为运行时），而不是在编译时发生的。因此，生命周期是一个运行时属性。

扩展阅读

上面关于创建、初始化和销毁的规则是必须要满足的。也就是说，对象的创建和初始化不晚于其定义，而销毁则不能早于花括号的结尾（对于函数形参来说则是函数结尾）。

实际上，C++ 的规范给与编译器了一些灵活性，使编译器可以决定何时创建或销毁局部变量。出于优化的目的，对象可以被早一点创建或晚一点销毁。多数时候，局部变量会在函数进入时创建，并以相反的顺序在函数退出时销毁。我们会在将来的有关函数调用栈课程中对其进行详细介绍。

下面这段程序展示了有关变量 x 生命周期更复杂的情况：

#include <iostream>

void doSomething()
{
    std::cout << "Hello!\n";
}

int main()
{
    int x{ 0 }; // x 的生命周期起点

    doSomething(); // 在函数调用期间，x 仍然存在

    return 0;
} // x 的生命周期终点

在上面的例子中，x 的生命周期从它的定义开始一直到 main 函数的末尾结束。这其中包含了函数 doSomething 执行的时间。

局部作用域

一个标识符的作用域(scope)表明了该表示符在源码中能够被访问的位置。如果一个标识符可以被访问，则称其在作用域中。当一个标识符不能被访问时，则称其超出了作用域（Out of scope）。作用域是一个编译时属性，如果在标识符的作用域之外访问它，会导致编译错误。

局部变量的作用域从该变量的定义开始，在包含了该变量定义的一组花括号的结尾终止（对于函数形参则在函数结尾终止）。这确保了变量在定义前不能被使用（即使编译器选择在此之前创建变量）。在一个函数中定义的局部变量，其作用域不能延伸到其他函数中。

下面的例子展示了变量 x 的作用域：

#include <iostream>

// x 不在该函数的作用域
void doSomething()
{
    std::cout << "Hello!\n";
}

int main()
{
    // x 此时还不能被访问，因为还没有进入其作用域

    int x{ 0 }; // x 从此时进入作用域，随后可以在该函数中使用它

    doSomething();

    return 0;
} // x 作用域终止与此，此后不再能够被使用

在上面的程序中，变量 x 从其定义位置开始进入作用域，在 main 函数结束时离开其作用域。注意，变量 x 的作用域不会延伸到函数 doSomething() 中。这也一位置 main 函数调用 doSomething 和该该变量的作用域没有任何关系。

“超出作用域” 和 “离开作用域”

术语超出作用域和离开作用域对于新手来说可能令人困惑。

标识符超出作用域表示其不能在代码中被访问。在上面的例子中，标识符(identifier) x 进入作用域的时间从其定义开始到 main 函数结尾为止。这段代码以外的代码中访问该标识符，都属于超出作用域。

术语离开作用域描述的对象则一般是某个对象而不是标识符。我们说一个变量会在实例化它作用域的结尾处（花括号结束处）离开作用域。在上面的例子中，对象 x 会在 main 函数的结尾处离开作用域。

具备变量的生命周期会在其离开作用域时终止，局部变量会在此时被销毁。

注意，并不是所有类型的变量都会在其离开作用域时被销毁。我们会在将来的课程中介绍此类例子。

其他例子

下面这个例子稍微更复杂一定。请记住，生命周期是一个运行时属性，而作用域是编译时属性。虽然，我们在同一段代码中讨论两者，它们的出发点是不同的。

#include <iostream>

int add(int x, int y) // x 和 y 在此处被创建并进入作用域
{
    // x 和 y 仅在该函数中可见/可用
    return x + y;
} // y 和 x 离开作用域并被销毁

int main()
{
    int a{ 5 }; // a 在此处被创建、初始化并进入作用域
    int b{ 6 }; // b 在此处被创建、初始化并进入作用域

    // a 和 b 只在该函数中可用
    std::cout << add(a, b) << '\n'; // calls function add() with x=5 and y=6

    return 0;
} // b 和 a 离开作用域并被销毁

函数形参 x 和 y 在 add 函数被调用时创建，作为变量，它们只在 add 函数中可见可用，并在 add 函数结束时销毁。变量 a 和 b 在函数 main 中被创建，只在 main 函数中可用，并且在 main 函数结束时被销毁。

为了强化理解，让我们逐步解析该函数，下列操作按顺序发生： - 程序从 main 函数的顶部开始执行； - main 函数的局部变量 a 被创建并初始化为 5； - main 函数的局部变量 b 被创建并初始化为 6； - add 函数被调用，函数的实参为 5 和 6； - add 的变量 x 被创建并初始化为 5； - add 的变量 y 被创建并初始化为 6； - 表达式 x + y 求值得到结果 11； - add 将值 11 拷贝返回给主调函数 main； - add 的 y 和 x 被销毁； - main 在控制台打印 11； - main 返回 0 给操作系统； - main 的局部变量 b 和 a 被销毁；

以上。

注意，如果函数 add 被先后两次调用，那么对应的形参 x 和 y 也被先后创建并销毁两次——每次调用就会发生一次创建和销毁。如果一个程序中有大量的函数调用，那么变量也会随之被频繁的创建和销毁。

函数的隔离

在上述的例子中，很明显可以看出，变量 a 和 b 是不同于变量 x 和 y 的变量。

现在，请考虑下面这个程序：

#include <iostream>

int add(int x, int y) // x 和 y 在此处被创建并进入作用域
{
    // x 和 y 仅在该函数中可见/可用
    return x + y;
} // y 和 x 离开作用域并被销毁

int main()
{
    int x{ 5 }; // x 在此处被创建、初始化并进入作用域
    int y{ 6 }; // y 在此处被创建、初始化并进入作用域

    // x 和 y 只在该函数中可用
    std::cout << add(x, y) << '\n'; // calls function add() with x=5 and y=6

    return 0;
} // x 和 y 离开作用域并被销毁

与前一个例子相比，本例只是将 main 函数中的变量 a 和 b 修改成了 x 和 y。这个程序的编译和运行和之前的程序没有任何区别，即使 main 函数和 add 函数都使用了变量名 x 和 y。为什么这样也可以工作呢？

首先，我们需要认识到的是，即使 main 函数和 add 函数都使用了变量名 x 和 y，但是这些变量实际上是完全不同的。main 函数中的 x 和 y，和 add 函数中的 x 和 y 是没有任何关系的——它们只是碰巧同名罢了。

其次，在 main 函数中，变量名 x 和 y 指的是 main 函数局部作用中的变量 x 和 y。这些变量只能够在 main 函数中被看到（被使用）。同样的，在 add 函数中，, 变量名 x 和 y 指的是 add 函数的形参 x 和 y，它们也只能够在 add 中被看到和使用。

长话短说，其实 add 和 main 这两个函数都不知道对方使用了与自己相同的变量名。因为，这些变量的作用域并没有重叠的部分，因此对于编译器来说，x 和 y 在任何时候被引用，其指代的对象都是清楚的。

关键信息

函数形参或者是局部变量在声明的时候所使用的名字，只在函数体内部可见。也就是说，函数在定义局部变量的时候，可以不考虑其他函数是否使用了某些变量名。这一特性，可以帮助函数保持独立性。

在后续的章节中，我们会探讨关于局部作用域的更多内容，同时也会谈到其他类型的作用域。

在何处定义局部变量

函数体内的局部变量，其定义的位置应该尽可能接近其第一次被使用的位置：

#include <iostream>

int main()
{
    std::cout << "Enter an integer: ";
    int x{}; // x 在此处定义
    std::cin >> x; // 在此处使用

    std::cout << "Enter another integer: ";
    int y{}; // y 在此处定义
    std::cin >> y; // 在此处使用

    int sum{ x + y }; // sum 在此处定义
    std::cout << "The sum is: " << sum << '\n'; // 在此处使用

    return 0;
}

在上面的例子中，每个变量都是在它第一次被使用时的前一行定义的。这个规定倒是无需严格遵守——如果你希望将第五行和第六行的位置换一下也是可以的。

最佳实践

尽量在局部变量第一次被使用前最近的地方定义该局部变量。