C++启蒙课程：第9章内存模型和名称空间

环节 1：变量的“生命周期”

变量就像程序里的角色，有的只是“临时演员”，用完就走；有的则是“永久居民”，贯穿始终。它们的“寿命”被称为存储持续性。

变量寿命模拟器 🎭

`test_vars()` 函数里有一个“临时演员”（自动变量）和一个“永久居民”（静态变量）。反复调用函数，观察它们的区别。

临时演员 (自动变量):

未出生

永久居民 (静态变量):

0

#include <iostream>

void test_vars() {
    // 自动变量：每次调用都“重生”为 1
    int auto_count = 1;

    // 静态变量：只在第一次调用时初始化
    // 它的值在函数调用结束后依然保留
    static int static_count = 0;
    static_count++;

    std::cout << "临时演员 = " << auto_count
              << ", 永久居民 = " << static_count << std::endl;
}
                

环节 2：作用域和链接性 —— “谁能看见谁”

作用域决定了变量的“可见范围”，链接性决定了它能否“跨文件共享”。这就像有的秘密只有房间里的人知道（局部作用域），有的秘密整个团队都知道（外部链接性）。

// file1.cpp
#include <iostream>

// 外部链接性: 可在其他文件共享
int g_share = 100;

// 内部链接性: 仅本文件可见
static int s_private = 200;

void some_func() {
    // 无链接性: 仅本函数可见
    int local_var = 300;
    std::cout << s_private << std::endl;
}
                

变量可见性探测器 🛰️

点击下面的变量名，探测器会高亮显示出它在哪个文件、哪个范围内是可见的。

file1.cpp

int g_share;

static int s_private;

some_func() {

int local_var;

}

file2.cpp

extern int g_share;

... s_private 不可见 ...

... local_var 不可见 ...

环节 3：名称空间 —— “给名字套上保护壳”

当两个不同的库都定义了叫 `List` 的工具时，程序就“懵”了。名称空间就像给每个库的工具都贴上一个“品牌标签”（如 `Apple::List`, `Google::List`），这样就不会混淆了。

名称空间调度中心 🏢

`Jack` 部门和 `Jill` 部门都有一个叫 `fetch` 的工具。请使用 `部门名::工具名` 的方式，精确调用你想要的工具。

输入要调用的“全名”:

等待调用指令...

#include <iostream>

// Jack 部门的工具箱
namespace Jack {
    int fetch = 20;
}
// Jill 部门的工具箱
namespace Jill {
    int fetch = 10;
}

int main() {
    // 使用 :: 作用域解析运算符来指定
    std::cout << Jack::fetch << std::endl; // 输出 20
    
    using Jill::fetch; // 引入 Jill 的 fetch
    std::cout << fetch << std::endl; // 输出 10 (默认用 Jill 的)
    return 0;
}
                

环节 4：多文件编程 —— 团队合作的蓝图

大型项目由多个 `.cpp` 文件组成。头文件 `.h` 就像团队共享的“蓝图”，它告诉每个成员有哪些工具（函数、变量）可以用，但具体的实现细节在各自的 `.cpp` 文件中。

一个典型的多文件项目结构：

📄 info.h (蓝图)

#ifndef INFO_H
#define INFO_H

// 声明一个共享变量
extern double g_rate;

// 声明一个函数
void show_rate();

#endif

⚙️ process.cpp (实现)

#include "info.h"
#include <iostream>

// 定义共享变量
double g_rate = 10.5;

void show_rate() {
  std::cout << g_rate;
}

🚀 main_app.cpp (使用)

#include "info.h"
#include <iostream>

int main() {
  std::cout << g_rate;
  g_rate = 20.0;
  show_rate();
  return 0;
}

注意： 运行这种多文件程序，需要使用 `g++ main_app.cpp process.cpp -o my_app` 这样的命令将它们编译并链接在一起。

终点站：编程挑战

练习 1：静态计数器 (Static Counter)

任务：

编写一个函数 `count_calls()`，它不接受参数，也不返回任何值。该函数使用一个静态局部变量来记录它被调用了多少次，并在每次调用时打印这个计数。

预期知识点：

静态持续性、无链接性、局部作用域。

点击查看参考答案

#include <iostream>
using namespace std;

void count_calls() {
    // s_count 是静态局部变量，仅在函数内可见，但值保持不变
    static int s_count = 0;
    s_count++;
    cout << "函数已被调用: " << s_count << " 次。" << endl;
}

int main() {
    count_calls(); // 1
    count_calls(); // 2
    count_calls(); // 3
    return 0;
}
                            

练习 2：多文件与外部链接性

任务：

将一个程序拆分为三个文件：`info.h`, `process.cpp`, 和 `main_app.cpp`。一个共享变量 `g_rate` 在一个文件中定义，在另一个文件中使用。

预期知识点：

单独编译，头文件，外部链接性，`extern` 关键字。

点击查看参考答案

File 1: info.h

// info.h
#ifndef INFO_H
#define INFO_H

// 外部链接性声明
extern double g_rate;

// 函数原型
void show_rate();

#endif
                               

File 2: process.cpp

#include "info.h"
#include <iostream>

// 外部链接性定义 (分配内存并初始化)
double g_rate = 10.5;

void show_rate() {
    std::cout << "在 process.cpp 中，g_rate 的值为: " << g_rate << std::endl;
}
                               

File 3: main_app.cpp

#include "info.h"
#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "在 main() 中，g_rate 的初始值为: " << g_rate << std::endl;
    g_rate = 20.0;
    show_rate(); // 调用另一个文件中的函数
    return 0;
}
                               

第9章 内存模型和名称空间