变量和函数的定义和声明

2. 定义和声明
2.1. extern和static关键字
在上一节我们把两个程序文件放在一起编译链接，main.c用到的函数push、pop和is_empty由stack.c提供，其实有一点小问题，我们用-Wall选项编译main.c可以看到：

$ gcc -c main.c -Wall
main.c: In function ‘main’:
main.c:8: warning: implicit declaration of function ‘push’
main.c:12: warning: implicit declaration of function ‘is_empty’
main.c:13: warning: implicit declaration of function ‘pop’这个问题我们在第 2 节 “自定义函数”讨论过，由于编译器在处理函数调用代码时没有找到函数原型，只好根据函数调用代码做隐式声明，把这三个函数声明为：

int push(char);
int pop(void);
int is_empty(void);现在你应该比学第 2 节 “自定义函数”的时候更容易理解这条规则了。为什么编译器在处理函数调用代码时需要有函数原型？因为必须知道参数的类型和个数以及返回值的类型才知道生成什么样的指令。为什么隐式声明靠不住呢？因为隐式声明是从函数调用代码推导而来的，而事实上函数定义的形参类型可能跟函数调用代码传的实参类型并不一致，如果函数定义带有可变参数（例如printf），那么从函数调用代码也看不出来这个函数带有可变参数，另外，从函数调用代码也看不出来返回值应该是什么类型，所以隐式声明只能规定返回值都是int型的。既然隐式声明靠不住，那编译器为什么不自己去找函数定义，而非要让我们在调用之前写函数原型呢？因为编译器往往不知道去哪里找函数定义，像上面的例子，我让编译器编译main.c，而这几个函数的定义却在stack.c里，编译器又怎么会知道呢？所以编译器只能通过隐式声明来猜测函数原型，这种猜测往往会出错，但在比较简单的情况下还算可用，比如上一节的例子这么编译过去了也能得到正确结果。

现在我们在main.c中声明这几个函数的原型：

/* main.c */
#include <stdio.h>

extern void push(char);
extern char pop(void);
extern int is_empty(void);

int main(void)
{
push('a');
push('b');
push('c');

while(!is_empty())
putchar(pop());
putchar('\n');

return 0;
}这样编译器就不会报警告了。在这里extern关键字表示这个标识符具有External Linkage。External Linkage的定义在上一章讲过，但现在应该更容易理解了，push这个标识符具有External Linkage指的是：如果把main.c和stack.c链接在一起，如果push在main.c和stack.c中都有声明（在stack.c中的声明同时也是定义），那么这些声明指的是同一个函数，链接之后是同一个GLOBAL符号，代表同一个地址。函数声明中的extern也可以省略不写，不写extern的函数声明也表示这个函数具有External Linkage。

如果用static关键字修饰一个函数声明，则表示该标识符具有Internal Linkage，例如有以下两个程序文件：

/* foo.c */
static void foo(void) {}/* main.c */
void foo(void);
int main(void) { foo(); return 0; }编译链接在一起会出错：

$ gcc foo.c main.c
/tmp/ccRC2Yjn.o: In function `main':
main.c:(.text+0x12): undefined reference to `foo'
collect2: ld returned 1 exit status虽然在foo.c中定义了函数foo，但这个函数只具有Internal Linkage，只有在foo.c中多次声明才表示同一个函数，而在main.c中声明就不表示它了。如果把foo.c编译成目标文件，函数名foo在其中是一个LOCAL的符号，不参与链接过程，所以在链接时，main.c中用到一个External Linkage的foo函数，链接器却找不到它的定义在哪儿，无法确定它的地址，也就无法做符号解析，只好报错。凡是被多次声明的变量或函数，必须有且只有一个声明是定义，如果有多个定义，或者一个定义都没有，链接器就无法完成链接。

以上讲了用static和extern修饰函数声明的情况。现在来看用它们修饰变量声明的情况。仍然用stack.c和main.c的例子，如果我想在main.c中直接访问stack.c中定义的变量top，则可以用extern声明它：

/* main.c */
#include <stdio.h>

void push(char);
char pop(void);
int is_empty(void);
extern int top;

int main(void)
{
push('a');
push('b');
push('c');
printf("%d\n", top);

while(!is_empty())
putchar(pop());
putchar('\n');
printf("%d\n", top);

return 0;
}变量top具有External Linkage，它的存储空间是在stack.c中分配的，所以main.c中的变量声明extern int top;不是变量定义，因为它不分配存储空间。以上函数和变量声明也可以写在main函数体里面，使所声明的标识符具有块作用域：

int main(void)
{
void push(char);
char pop(void);
int is_empty(void);
extern int top;

push('a');
push('b');
push('c');
printf("%d\n", top);

while(!is_empty())
putchar(pop());
putchar('\n');
printf("%d\n", top);

return 0;
}注意，变量声明和函数声明有一点不同，函数声明的extern可写可不写，而变量声明如果不写extern意思就完全变了，如果上面的例子不写extern就表示在main函数中定义一个局部变量top。另外要注意，stack.c中的定义是int top = -1;，而main.c中的声明不能加Initializer，如果上面的例子写成extern int top = -1;则编译器会报错。

在main.c中可以通过变量声明来访问stack.c中的变量top，但是从实现stack.c这个模块的角度来看，top这个变量是不希望被外界访问到的，变量top和stack都属于这个模块的内部状态，外界应该只允许通过push和pop函数来改变模块的内部状态，这样才能保证堆栈的LIFO特性，如果外界可以随机访问stack或者随便修改top，那么堆栈的状态就乱了。那怎么才能阻止外界访问top和stack呢？答案就是用static关键字把它们声明为Internal Linkage的：

/* stack.c */
static char stack[512];
static int top = -1;

void push(char c)
{
stack[++top] = c;
}

char pop(void)
{
return stack[top--];
}

int is_empty(void)
{
return top == -1;
}这样，即使在main.c中用extern声明也访问不到stack.c的变量top和stack。从而保护了stack.c模块的内部状态，这也是一种封装（Encapsulation）的思想。

用static关键字声明具有Internal Linkage的函数也是出于这个目的。在一个模块中，有些函数是提供给外界使用的，也称为导出（Export）给外界使用，这些函数声明为External Linkage的。有些函数只在模块内部使用而不希望被外界访问到，则声明为Internal Linkage的。

2.2. 头文件
我们继续前面关于stack.c和main.c的讨论。stack.c这个模块封装了top和stack两个变量，导出了push、pop、is_empty三个函数接口，已经设计得比较完善了。但是使用这个模块的每个程序文件都要写三个函数声明也是很麻烦的，假设又有一个foo.c也使用这个模块，main.c和foo.c中各自要写三个函数声明。重复的代码总是应该尽量避免的，以前我们通过各种办法把重复的代码提取出来，比如在第 2 节 “数组应用实例：统计随机数”讲过用宏定义避免硬编码的问题，这次有什么办法呢？答案就是可以自己写一个头文件stack.h：

/* stack.h */
#ifndef STACK_H
#define STACK_H
extern void push(char);
extern char pop(void);
extern int is_empty(void);
#endif这样在main.c中只需包含这个头文件就可以了，而不需要写三个函数声明：

/* main.c */
#include <stdio.h>
#include "stack.h"

int main(void)
{
push('a');
push('b');
push('c');

while(!is_empty())
putchar(pop());
putchar('\n');

return 0;
}首先说为什么#include <stdio.h>用角括号，而#include "stack.h"用引号。对于用角括号包含的头文件，gcc首先查找-I选项指定的目录，然后查找系统的头文件目录（通常是/usr/include，在我的系统上还包括/usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.3.2/include）；而对于用引号包含的头文件，gcc首先查找包含头文件的.c文件所在的目录，然后查找-I选项指定的目录，然后查找系统的头文件目录。

假如三个代码文件都放在当前目录下：

$ tree
.
|-- main.c
|-- stack.c
`-- stack.h

0 directories, 3 files则可以用gcc -c main.c编译，gcc会自动在main.c所在的目录中找到stack.h。假如把stack.h移到一个子目录下：

$ tree
.
|-- main.c
`-- stack
|-- stack.c
`-- stack.h

1 dir

补充：软件开发 , C++ ,