【C语言】C语言的变量和声明系统性讲解

LuckiBit

声明和定义的概念

在C语言中，**声明（Declaration）和定义（Definition）**是两个重要的基础概念，它们都涉及到变量、函数、结构体等的使用，但功能和作用存在明显区别：

声明：
- 作用：告诉编译器某个变量、函数或其他实体的名称和类型，但不分配内存。
- 目的：用于类型检查或引用外部变量/函数。
- 示例：
```
extern int x;      // 声明变量x，表示它定义在其他地方
int add(int, int); // 声明一个函数，表示它将在其他地方实现
```

定义：

作用：创建变量或函数，并分配内存。
目的：为程序提供实际的存储和功能。

示例：

int x = 10;        // 定义变量x，并初始化为10
int add(int a, int b) { return a + b; } // 定义函数add

总结：声明可以有多次，但定义只能有一次。声明是承诺，定义是实现。

1. 声明和定义的典型分布总结

类型	放置位置	注意事项
全局变量声明	头文件或需要访问的源文件顶部	使用`extern`关键字
全局变量定义	一个特定源文件顶部	每个全局变量只能有一个定义
局部变量定义	函数或代码块内部	定义即声明，作用域局限于所在代码块
函数声明	头文件或调用它的源文件顶部	必须在调用函数之前
函数定义	源文件的中间或底部	每个函数只能有一个定义

2. 头文件与源文件的组织

头文件（`.h`）

通常放置声明，不放置定义。原因是声明可多次引用，而定义只能出现一次。
包含内容：
- 函数声明。
- 全局变量声明（带extern）。
- 宏定义。
- 类型定义。

示例：myheader.h

#ifndef MYHEADER_H
#define MYHEADER_H

extern int global_var; // 全局变量声明
int add(int a, int b); // 函数声明

#endif

源文件（`.c`）

放置变量和函数的定义，以及具体实现。

示例：main.c

#include "myheader.h"

int global_var = 10; // 定义

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

int main() {
    printf("Sum: %d\n", add(3, 5));
    return 0;
}

3. 变量的声明和定义

3.1 全局变量

定义位置：
- 通常放在源文件（.c文件）的顶部，所有函数之外。
- 全局变量会分配固定的内存地址，作用域是整个文件。
示例：
```
int global_var = 10; // 全局变量定义
```
声明位置：
- 如果需要在多个源文件中使用，则需要在头文件或其他源文件中用extern进行声明。
- 声明告诉其他源文件这个变量存在，但具体的内存分配在定义中完成。
示例：
```
extern int global_var; // 全局变量声明
```
放置规则：
- 定义应放在变量首次使用之前。
- 声明可以放在头文件或需要使用该变量的源文件顶部。

3.2 局部变量

定义位置：
- 在函数或代码块内部定义，变量的作用域局限于该函数或块。
- 局部变量在函数调用时分配内存，在函数返回时释放。
示例：
```
void func() {
    int local_var = 5; // 局部变量定义
}
```
声明位置：
- 局部变量无需在其他地方声明，定义本身即可视为隐式声明。
放置规则：
- 定义局限于函数或块内部，通常在其首次使用之前。
- 局部变量不能通过extern声明，因为它们的作用域仅限于定义所在的函数或块。

4. 函数的声明和定义

4.1 函数声明

位置：
- 函数声明通常放在使用函数之前，或者统一放在头文件中以供多个源文件使用。
示例：
```
// 声明
int add(int a, int b);
```
放置规则 ：
- 头文件声明 ：建议将常用的函数声明放在头文件中，例如math.h中有sqrt(double)的声明。
- 临时声明 ：对于仅在某个文件中使用的函数，可以在该文件顶部进行声明。

4.2 函数定义

位置：
- 函数定义通常放在源文件的中间或底部。
- 如果函数需要被多个源文件使用，其定义应该仅出现在一个源文件中，而在其他文件中通过声明引用。
示例：
```
// 定义
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}
```
放置规则 ：
- 函数定义的顺序一般不影响运行逻辑，但通常建议主函数main()放在最后，便于逻辑清晰。
- 为了模块化，通用功能的函数可以被定义在专用的源文件中，例如utils.c。

5. 结构体的声明和定义

定义

定义结构体时，创建了一个新的数据类型。

示例：

struct Point {
    int x;
    int y;
};  // 定义结构体

声明

声明结构体变量时，仅指定了结构体的类型和名称。

示例：

struct Point p1; // 声明变量p1为Point类型

6. 联合体的声明和定义

定义

定义联合体类似于结构体，但所有成员共享同一块内存。

示例：

union Data {
    int i;
    float f;
};  // 定义联合体

声明

声明联合体变量时，指定了联合体类型和变量名称。

示例：

union Data d1; // 声明变量d1为Data类型

7. 数组的声明和定义

定义

数组的定义指定了大小，并为其分配内存。

示例：

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; // 定义数组并初始化

声明

声明数组时，不分配内存，仅指定类型和大小。
示例：
```
extern int arr[5]; // 声明数组
```

8. 字符串的声明和定义

定义

字符串定义为字符数组并分配内存。

示例：

char str[] = "hello"; // 定义字符串

声明

声明字符串数组时，不分配内存。
示例：
```
extern char str[]; // 声明字符串
```

9. 枚举的声明和定义

定义

定义枚举时，创建一个新的枚举类型。

示例：

enum Color { RED, GREEN, BLUE }; // 定义枚举

声明

声明枚举变量时，指定了类型和变量名称。
示例：
```
enum Color favorite; // 声明变量
```

10. 指针的声明和定义

定义

定义指针时，分配内存并初始化地址。

示例：

int x = 10;
int *p = &x; // 定义指针

声明

声明指针时，仅指定类型。
示例：
```
extern int *p; // 声明指针
```

11. 完整示例

以下是综合运用了结构体、联合体、数组、字符串、枚举和指针的一个C语言示例，展示了声明和定义的结合使用，以及在多文件程序中的组织方式。

文件结构

project/
├── main.c
├── data.h
├── data.c

文件内容

data.h

#ifndef DATA_H
#define DATA_H

// 全局变量声明
extern int global_count;

// 结构体声明
struct Point {
    int x;
    int y;
};

// 联合体声明
union Data {
    int i;
    float f;
};

// 枚举声明
enum Color {
    RED, GREEN, BLUE
};

// 函数声明
void print_point(struct Point p);
void increment_count();
void set_union_data(union Data *data, int type, float value);

#endif

data.c

#include "data.h"
#include <stdio.h>

// 全局变量定义
int global_count = 0;

// 函数定义
void print_point(struct Point p) {
    printf("Point: (%d, %d)\n", p.x, p.y);
}

void increment_count() {
    global_count++;
    printf("Global count: %d\n", global_count);
}

void set_union_data(union Data *data, int type, float value) {
    if (type == 0) {
        data->i = (int)value;
        printf("Union data set as int: %d\n", data->i);
    } else {
        data->f = value;
        printf("Union data set as float: %.2f\n", data->f);
    }
}

main.c

#include <stdio.h>
#include "data.h"

int main() {
    // 使用结构体
    struct Point p1 = {3, 4};
    print_point(p1);

    // 操作全局变量
    increment_count();
    increment_count();

    // 使用联合体
    union Data u;
    set_union_data(&u, 0, 42);   // 设置为整数
    set_union_data(&u, 1, 3.14); // 设置为浮点数

    // 使用枚举
    enum Color favorite_color = GREEN;
    printf("Favorite color: %d\n", favorite_color);

    // 使用数组和字符串
    char name[] = "C Language";
    printf("Programming in: %s\n", name);

    // 使用指针
    int x = 10;
    int *ptr = &x;
    printf("Pointer value: %d\n", *ptr);

    return 0;
}

运行结果

编译并运行程序后，将看到以下输出：

Point: (3, 4)
Global count: 1
Global count: 2
Union data set as int: 42
Union data set as float: 3.14
Favorite color: 1
Programming in: C Language
Pointer value: 10