ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.03.2021
Просмотров: 344
Скачиваний: 1
Статические переменные
Переменные типа static — это переменные "долговременного" хранения, т.е. они хранят свои значения в пределах своей функции или файла. От глобальных они отличаются тем, что за рамками своей функции или файла они неизвестны. Поскольку спецификатор static по-разному определяет "судьбу" локальных и глобальных переменных, мы рассмотрим их в отдельности.
Локальные static-переменные
Локальная static-переменная поддерживает свое значение между вызовами функции.
Если к локальной переменной применен модификатор static, то для нее выделяется постоянная область памяти практически так же, как и для глобальной переменной. Это позволяет статической переменной поддерживать ее значение между вызовами функций.(Другими словами, в отличие от обычной локальной переменной, значение static-переменной не теряется при выходе из функции.) Ключевое различие между статической локальной и глобальной переменными состоит в том, что статическая локальная переменная известна только блоку, в котором она объявлена. Таким образом, статическую локальную переменную в некоторой степени можно назвать глобальной переменной, которая имеет ограниченную область видимости.
Чтобы объявить статическую переменную, достаточно предварить ее тип ключевым словом static. Например, при выполнении этой инструкции переменная count объявляется статической.
static int count;
Статической переменной можно присвоить некоторое начальное значение. Например, в этой инструкции переменной count присваивается начальное значение 200:
static int count = 200;
Локальные static-переменные инициализируются только однажды, в начале выполнения программы, а не при каждом входе в функцию, в которой они объявлены.
Возможность использования статических локальных переменных важна для создания независимых функций, поскольку существуют такие типы функций, которые должны сохранять их значения между вызовами. Если бы статические переменные не были предусмотрены в C++, пришлось бы использовать вместо них глобальные, что открыло бы путь для всевозможных побочных эффектов.
Рассмотрим пример использования static-переменной. Она служит для хранения текущего среднего значения от чисел, вводимых пользователем.
/* Вычисляем текущее среднее значение от чисел, вводимых пользователем.
*/
#include <iostream>
using namespace std;
int r_avg(int i);
int main()
{
int num;
do {
cout << "Введите числа (-1 означает выход): ";
cin >> num;
if(num != -1)
cout << "Текущее среднее равно: " << r_avg(num);
cout << '\n';
}
while(num > -1);
return 0;
}
// Вычисляем текущее среднее.
int r_avg(int i)
{
static int sum=0, count=0;
sum = sum + i;
count++;
return sum / count;
}
Здесь обе локальные переменные sum и count объявлены статическими и инициализированы значением 0. Помните, что для статических переменных инициализация выполняется только один раз (при первом выполнении функции), а не при каждом входе в функцию. В этой программе функция r_avg() используется для вычисления текущего среднего значения от чисел, вводимых пользователем. Поскольку обе переменные sum и count являются статическими, они поддерживают свои значения между вызовами функции r_avg(), что позволяет нам получить правильный результат вычислений. Чтобы убедиться в необходимости модификатора static, попробуйте удалить его из программы. После этого программа не будет работать корректно, поскольку промежуточная сумма будет теряться при каждом выходе из функции r_avg().
Глобальные static-переменные
Глобальная static-переменная известна только для файла, в котором она объявлена.
Если модификатор static применен к глобальной переменной, то компилятор создаст глобальную переменную, которая будет известна только для файла, в котором она объявлена. Это означает, что, хотя эта переменная является глобальной, другие функции в других файлах не имеют о ней "ни малейшего понятия" и не могут изменить ее содержимое. Поэтому она и не может стать "жертвой" несанкционированных изменений. Следовательно, для особых ситуаций, когда локальная статичность оказывается бессильной, можно создать небольшой файл, который будет содержать лишь функции, использующие глобальные static-переменные, отдельно скомпилировать этот файл и работать с ним, не опасаясь вреда от побочных эффектов "всеобщей глобальности".
Рассмотрим пример, который представляет собой переработанную версию программы (из предыдущего раздела), вычисляющей текущее среднее значение. Эта версия состоит из двух файлов и использует глобальные static-переменные для хранения значений промежуточной суммы и счетчика вводимых чисел.
//---------------------Первый файл--------------------
#include <iostream>
using namespace std;
int r_avg(int i);
void reset();
int main()
{
int num;
do {
cout <<"Введите числа (-1 для выхода, -2 для сброса): ";
cin >> num;
if(num==-2) {
reset();
continue;
}
if(num != -1)
cout << "Среднее значение равно: " << r_avg(num);
cout << '\n';
}
while(num != -1);
return 0;
}
//---------------------Второй файл---------------------
#include <iostream>
static int sum=0, count=0;
int r_avg(int i)
{
sum = sum + i;
count++;
return sum / count;
}
void reset()
{
sum = 0;
count = 0;
}
В этой версии программы переменные sum и count являются глобально статическими, т.е. их глобальность ограничена вторым файлом. Итак, они используются функциями r_avg() и reset(), причем обе они расположены во втором файле. Этот вариант программы позволяет сбрасывать накопленную сумму (путем установки в исходное положение переменных sum и count), чтобы можно было усреднить другой набор чисел. Но ни одна из функций, расположенных вне второго файла, не может получить доступ к этим переменным. Работая с данной программой, можно обнулить предыдущие накопления, введя число -2. В этом случае будет вызвана функция reset(). Проверьте это. Кроме того, попытайтесь получить из первого файла доступ к любой из переменных sum или count. (Вы получите сообщение об ошибке.)
Итак, имя локальной static-переменной известно только функции или блоку кода, в котором она объявлена, а имя глобальной static-переменной — только файлу, в котором она "обитает". По сути, модификатор static позволяет переменным существовать так, что о них знают только функции, использующие их, тем самым "держа в узде" и ограничивая возможности негативных побочных эффектов. Переменные типа static позволяют программисту "скрывать" одни части своей программы от других частей. Это может оказаться просто супердостоинством, когда вам придется разрабатывать очень большую и сложную программу.
Важно! Несмотря на то что глобальные static-переменные по-прежнему допустимы и широко используются в С++-коде, стандарт C++ возражает против их применения. Для управления доступом к глобальным переменным рекомендуется другой метод, который заключается в использовании пространств имен.
Регистровые переменные
Возможно, чаще всего используется спецификатор класса памяти register. Для компилятора модификатор register означает предписание обеспечить такое хранение соответствующей переменной, чтобы доступ к ней можно было получить максимально быстро. Обычно переменная в этом случае будет храниться либо в регистре центрального процессора (ЦП), либо в кэше (быстродействующей буферной памяти небольшой емкости). Вероятно, вы знаете, что доступ к регистрам ЦП (или к кэш-памяти) принципиально быстрее, чем доступ к основной памяти компьютера. Таким образом, переменная, сохраняемая в регистре, будет обслужена гораздо быстрее, чем переменная, сохраняемая, например, в оперативной памяти (ОЗУ). Поскольку скорость, с которой к переменным можно получить доступ, определяет, по сути, скорость выполнения вашей программы, для получения удовлетворительных результатов программирования важно разумно использовать спецификатор register.
Спецификатор register в объявлении переменной означает требование оптимизировать код для получения максимально возможной скорости доступа к ней.
Формально спецификатор register представляет собой лишь запрос, который компилятор вправе проигнорировать. Это легко объяснить: ведь количество регистров (или устройств памяти с малым временем выборки) ограничено, причем для разных сред оно может быть различным. Поэтому, если компилятор исчерпает память быстрого доступа, он будет хранить register-переменные обычным способом. В общем случае неудовлетворенный register-запрос не приносит вреда, но, конечно же, и не дает никаких преимуществ хранения в регистровой памяти.
Поскольку в действительности только для ограниченного количества переменных можно обеспечить быстрый доступ, важно тщательно выбрать, к каким из них применить модификатор register. (Только правильный выбор может повысить быстродействие программы.) Как правило, чем чаще к переменной требуется доступ, тем большая выгода будет получена в результате оптимизации кода с помощью спецификатора register. Поэтому объявлять регистровыми имеет смысл управляющие переменные цикла или переменные, к которым выполняется доступ в теле цикла. На примере следующей функции показано, как register-переменная типа int используется для управления циклом. Эта функция вычисляет результат выражения mе для целочисленных значений с сохранением знака исходного числа (т.е. при m = -2 и е = 2 результат будет равен -4).
int signed_pwr(register int m, register int e)
{
register int temp;
int sign;
if(m < 0) sign = -1;
else sign = 1;
temp = 1;
for( ; e; e--) temp = temp * m;
return temp * sign;
}
В этом примере переменные m, е и temp объявлены как регистровые, поскольку все они используются в теле цикла, и потому к ним часто выполняется доступ. Однако переменная sign объявлена без спецификатора register, поскольку она не является частью цикла и используется реже.
Происхождение модификатора register
Модификатор register был впервые определен в языке С. Первоначально он применялся только к переменным типа int и char или к указателям и заставлял хранить переменные этого типа в регистре ЦП, а не в ОЗУ, где хранятся обычные переменные. Это означало, что операции с регистровыми переменными могли выполняться намного быстрее, чем операции с остальными (хранимыми в памяти), поскольку для опроса или модификации их значений не требовался доступ к памяти.
После стандартизации языка С было принято решение расширить определение спецификатора register. Согласно ANSI-стандарту С модификатор register можно применять к любому типу данных. Его использование стало означать для компилятора требование сделать доступ к переменной типа register максимально быстрым. Для ситуаций, включающих символы и целочисленные значения, это по-прежнему означает помещение их в регистры ЦП, поэтому традиционное определение все еще в силе. Поскольку язык C++ построен на ANSI-стандарте С, он также поддерживает расширенное определение спецификатора register.
Как упоминалось выше, точное количество register-переменных, которые реально будут оптимизированы в любой одной функции, определяется как типом процессора, так и конкретной реализацией C++, которую вы используете. В общем случае можно рассчитывать по крайней мере на две. Однако не стоит беспокоиться о том, что вы могли объявить слишком много register-переменных, поскольку C++ автоматически превратит регистровые переменные в нерегистровые, когда их лимит будет исчерпан. (Это гарантирует переносимость С++-кода в рамках широкого диапазона процессоров.)
Чтобы показать влияние, оказываемое register-переменными на быстродействие программы, в следующем примере измеряется время выполнения двух циклов for, которые отличаются друг от друга только типом управляющих переменных. В программе используется стандартная библиотечная С++-функция clock(), которая возвращает количество импульсов сигнала времени системных часов, подсчитанных с начала выполнения этой программы. Программа должна включать заголовок <ctime>.
/* Эта программа демонстрирует влияние, которое может оказать использование register-переменной на скорость выполнения программы.
*/
#include <iostream>
#include <ctime>
using namespace std;
unsigned int i; //не register-переменная
unsigned int delay;
int main()
{
register unsigned int j;
long start, end;
start = clock();
for(delay=0; delay<50; delay++)
for(i=0; i<64000000; i++);
end = clock();
cout << "Количество тиков для не register-цикла: ";
cout << end-start << ' \n';
start = clock();
for(delay=0; delay<50; delay++)
for(j=0; j<64000000; j++);
end = clock();
cout << "Количество тиков для register-цикла: ";
cout << end-start << '\n';
return 0;
}
При выполнении этой программы вы убедитесь, что цикл с "регистровым" управлением выполняется приблизительно в два раза быстрее, чем цикл с "нерегистровым" управлением.
Перечисления
В C++ можно определить список именованных целочисленных констант. Такой список называется перечислением (enumeration). Эти константы можно затем использовать везде, где допустимы целочисленные значения (например, в целочисленных выражениях). Перечисления определяются с помощью ключевого слова enum, а формат их определения имеет такой вид:
enum type_name { список_перечисления } список_переменных;
Под элементом список_перечисления понимается список разделенных запятыми имен, которые представляют значения перечисления. Элемент список_переменных необязателен, поскольку переменные можно объявить позже, используя имя типа перечисления. В следующем примере определяется перечисление apple и две переменные типа apple с именами red и yellow.
enum apple {Jonathan, Golden_Del, Red_Del, Winesap, Cortland, McIntosh} red, yellow;
Определив перечисление, можно объявить другие переменные этого типа, используя имя перечисления. Например, с помощью следующей инструкции объявляется одна переменная fruit перечисления apple.
apple fruit;
Эту инструкцию можно записать и так.
enum apple fruit;
Ключевое слово enum объявляет перечисление.
Однако использование ключевого слова enum здесь излишне. В языке С (который также поддерживает перечисления) обязательной была вторая форма, поэтому в некоторых программах вы можете встретить подобную запись.
С учетом предыдущих объявлений следующие типы инструкций совершенно допустимы.
fruit = Winesap;
if(fruit==Red_Del) cout << "Red Delicious\n";
Важно понимать, что каждый символ списка перечисления означает целое число, причем каждое следующее число (представленное идентификатором) на единицу больше предыдущего. По умолчанию значение первого символа перечисления равно нулю, следовательно, значение второго — единице и т.д. Поэтому при выполнении этой инструкции
cout << Jonathan << ' ' << Cortland;
на экран будут выведены числа 0 4.
Несмотря на то что перечислимые константы автоматически преобразуются в целочисленные, обратное преобразование автоматически не выполняется. Например, следующая инструкция некорректна.
fruit =1; // ошибка
Эта инструкция вызовет во время компиляции ошибку, поскольку автоматического преобразования целочисленных значений в значения типа apple не существует. Откорректировать предыдущую инструкцию можно с помощью операции приведения типов.
fruit = (apple) 1; // Теперь все в порядке, но стиль не совершенен.
Теперь переменная fruit будет содержать значение Golden_Del, поскольку эта apple-константа связывается со значением 1.
Используя инициализатор, можно указать значение одной или нескольких перечислимых констант. Это делается так: после соответствующего элемента списка перечисления ставится знак равенства и нужное целое число. При использовании инициализатора следующему (после инициализированного) элементу списка присваивается значение, на единицу превышающее предыдущее значение инициализатора. Например, при выполнении следующей инструкции константе Winesap присваивается значение 10.