C語言里變量的生命周期

在 C 語言中，變量的生命周期指的是該變量存在的時間段，理解變量的內存釋放時機，設計程序才能少出問題。

在程序執行期間，變量會經歷以下三個階段：

（1）定義階段（定義變量）：在定義變量時，編譯器會為該變量分配內存空間。此時變量的值是不確定的。

（2）使用階段（賦值、讀取變量）：在程序執行過程中，可以對變量進行賦值或讀取操作。此時變量的值是確定的，并且會隨著程序執行的進度而變化。

（3）銷毀階段（變量被銷毀）：在變量的作用域結束時，該變量就會被銷毀。在這個過程中，編譯器會自動釋放該變量所占用的內存空間。

根據變量的定義位置和作用域，C 語言中的變量可以分為以下兩種類型：

（1）局部變量：定義在函數內部或代碼塊內部的變量稱為局部變量。局部變量只能在其定義所在的函數或代碼塊內部使用，并且在函數或代碼塊結束時被銷毀。局部變量的生命周期受限于其所處的函數或代碼塊的生命周期。

（2）全局變量：定義在函數外部或文件頂部的變量稱為全局變量。全局變量可以在整個程序中使用，其生命周期從程序開始到程序結束。全局變量在程序運行期間一直存在，并且在程序結束時才被銷毀。

除了上述兩種變量類型之外，C 語言還提供了另外一種特殊的變量類型——靜態變量。靜態變量定義在函數內部或代碼塊內部，但其生命周期與局部變量不同。靜態變量在函數或代碼塊結束時不會被銷毀，而是繼續存在于內存中，并保留其上一次賦值的值，直到下一次被修改。

在 C 語言中，變量的生命周期是由其作用域和定義位置決定的。正確地管理變量的生命周期對于程序的正確性和性能都至關重要，程序員需要深入了解變量的生命周期，遵循正確的使用規則，確保程序的正確性和健壯性。

以下是使用代碼進行舉例說明變量的生命周期：

（1）定義階段

在定義變量時，編譯器會為該變量分配內存空間。

例如，在函數內部定義一個整型變量 a，其定義語句如下：

void foo() {
     int a;  // 定義變量
 }

此時變量 a 就被分配了內存空間，但其值是不確定的。

（2）使用階段

在程序執行過程中，可以對變量進行賦值或讀取操作。

例如，在上述定義變量的基礎上，給變量 a 賦值并讀取其值的代碼如下：

void foo() {
     int a;  // 定義變量
 ?
     a = 10;  // 給變量賦值
     printf("a = %d
", a);  // 打印變量的值
 }

此時變量 a 的值已經確定為 10，并被輸出到控制臺。

（3）銷毀階段

在變量的作用域結束時，該變量就會被銷毀。在這個過程中，編譯器會自動釋放該變量所占用的內存空間。例如，在上述定義變量和使用變量的代碼基礎上，添加一個條件語句使得變量 a 在條件成立之后被銷毀，示例代碼如下：

void foo() {
     int a;  // 定義變量
 ?
     a = 10;  // 給變量賦值
     printf("a = %d
", a);  // 打印變量的值
 ?
     if (a > 5) {
         int b = 20;  // 定義變量
         printf("b = %d
", b);  // 打印變量的值
     }
 ?
     printf("a = %d
", a);  // 打印變量的值，此時變量依然存在
 }

在上述代碼中，當條件 a > 5 成立時，程序會在條件中定義并使用一個新的整型變量 b，但該變量在條件結束后就被釋放了。而變量 a 的生命周期則受限于函數 foo() 的作用域，即在函數結束時被銷毀。

（4）子函數返回地址（指針）

如果子函數返回指針變量，需要注意指針變量的生命周期問題，以避免指針失效和內存泄漏等問題。

假設有一個子函數 get_string()，該函數返回一個動態分配的字符串指針。函數定義及示例代碼如下：

char* get_string() {
     char* str = (char*) malloc(10 * sizeof(char));
     str[0] = 'H';
     str[1] = 'e';
     str[2] = 'l';
     str[3] = 'l';
     str[4] = 'o';
     str[5] = '';
     return str;
 }
 ?
 int main() {
     char* s = get_string();
     printf("%s
", s);  // 輸出 "Hello"
 ?
     // 此處應該手動釋放內存
     free(s);
 ?
     return 0;
 }

在上述代碼中，函數 get_string() 動態分配了一個長度為 10 的字符數組 str，并返回了該數組的首地址，該指針是在堆(heap)上分配的。由于是動態分配的內存空間，因此需要手動釋放。在 main() 函數中對指針進行操作后，也需要手動釋放該指針所指向的內存空間，以避免內存泄漏。

以下是一個錯誤的示例，用于和前面正確示例進行對比，幫助理解返回指針的生命周期問題：

char* get_string() {
     char str[] = "Hello";
     return str;
 }
 ?
 int main() {
     char* s = get_string();
     printf("%s
", s);  // 輸出 "Hello"
 ?
     return 0;
 }

在這個示例中，函數 get_string() 返回了一個局部數組 str 的首地址。由于 str 是在函數內部定義的局部變量，其生命周期僅限于函數調用過程中。當函數 get_string() 執行完畢后，str 的生命周期已經結束，其內存空間已被回收，此時返回的指針變量 s 已經成為了野指針，指向了無效的內存空間，進而會導致未定義的行為。

盡管該函數定義的返回類型是 char*，但是由于返回了一個局部變量的指針，會導致指針失效、訪問非法內存等問題，從而產生程序崩潰等錯誤行為。

總結：如果一個子函數需要返回指針變量，需要確保返回的指針指向的內存空間在使用期間有效，否則會導致嚴重的問題。

審核編輯：湯梓紅