什么是Storage Class

Storage Class翻译成中文为存储类（总感觉翻译成汉语不太好），用来修饰C中变量和函数。如果没有显式的指定storage class，会使用默认值。它的作用主要以下几点：

  • 决定变量存储的位置。每个变量都需要一定的空间来存储，经常用到的存储单元就是内存，除了内存之外，CPU中的寄存器也可以存储变量，而且一般来说寄存器的访问速度要远远大于内存的访问速度。
  • 决定变量的生命周期。
  • 决定变量的可见级别。
  • 决定变量是否初始化。

Storage Class 说明符（Specifiers）

下面列出了5中Storage Class的说明符，但是只有前四种是真正意义上的说明符，typedef只是为了语义上的方便，才将其称为一个storage class的说明符。

  • auto
  • register
  • static
  • extern
  • typedef

需要注意的是我们在一个声明中，我们至多使用一个storage class的说明符。如果没有显示使用说明符，则会使用以下的默认规则：

  1. 在函数内部声明的变量默认使用 auto 说明符
  2. 在函数内部声明的函数默认使用 extern 说明符
  3. 在函数外部声明的变量和函数默认使用static说明符，并且具有外部链接（external linkage）

具有外部链接的变量和函数可以作用于程序中的所有文件，单纯使用static的变量和函数具有文件作用域（File Scope），它们只有内部链接（internal linkage），只能作用于当前文件。局部变量没有链接，它们只作用于定义的代码块。

Storage Class 类别（Type）

根据上面所说，在C中一共有四类storage class：

  1. Automatic Storage Class
  2. Register Storage Class
  3. Static Storage Class
  4. External Storage Class

下面是详细介绍

Auto Storage Class

在代码块或者函数中，使用auto声明的变量属于automatic storage class，如果没有显示调用storage class说明符，那么auto就是其默认值。auto storage class的变量属于局部变量，只在其定义的代码块或者函数中起作用，当离开代码块或者函数执行完毕之后就会被销毁（destroyed）。下面是一个示例：

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#include <stdio.h>

int main( )
{
    auto int i = 1;
    {
        auto int i = 2;
        {
            auto int i = 3;
            printf ( "\n%d ", i);
        }
        printf ( "%d ", i);
    }
    printf( "%d\n", i);
}

输出结果为：3 2 1
在上面的代码中我们定义3个相同名称的变量i，并且成功执行。这是因为这三个变量的作用域不同，并且8-11行代码块中的i覆盖了6-13行中对于i的定义（类似于局部变量覆盖全局变量），即程序执行时会先在当前代码块的作用域中查找相应变量，如果找不到再去其属于的更大范围的代码块查找，直至找到或者报错。需要注意的地方是automatic storage class变量并不会被初始化，在使用之前要手动为其赋初值，否则程序可能会出现意想不到的结果。

Register Storage Class

使用register声明的变量属于Register Storage Class。Register Storage Class类型的变量可以看作是一种特殊形式的automatic变量，Automatic变量是在内存中分配存储空间的，但是对于大多数的电脑来说，数据的访问速度要小于CPU的计算速度，因此CPU会有一定的空间来缓存少量的数据，以加快访问数据的速度，CPU的这些存储单元就叫做寄存器（Register）。
  一般来说编译器会决定何时将数据存储到CPU的寄存器中。不过C同时提供了一种方式建议编译器将变量放到寄存器中，这种方式就是register storage class，之所以说建议是因为编译器并不一定会将register变量放入到寄存器中，这个和具体的实现以及寄存器的空间大小有关系，但是大多数情况中只要显示调用了register说明符，编译器就会在寄存器上为其分配空间。同时，并不是所有类型的变量都可以放到编译器中，这个也和具体的编译器实现有关。
  同时需要注意的是，register变量不能使用取地址符’&’，因为按照标准它是存储在寄存器中的，并没有内存的地址，所以下面的代码是编译不过的

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#include <stdio.h>

int main()
{
    register int i = 1;
    int *p =  &i; //error: address of register variable requested
    printf("Value of i: %d\n", *p);
}

register变量同样没有初始值。另外需要说明的是并不是使用了register变量就一定会比使用automatic变量快，比如你定义了很多的register的变量，导致寄存器的空间不够使用，那么为了使其他register变量可以正常使用，就不得不将一些寄存器的值交换到内存中，而这个交换过程往往会浪费大量的时间。同时，自定义register变量的使用可能会影响编译器对于寄存器使用的默认行为，例如存储表达式求值的临时值。所以应该慎重使用register变量。

Static Storage Class

static用来声明static storage class的变量。static可以修饰局部变量或者全局变量，当修饰局部变量时，static并不改变该变量的作用域，但是会一直保存该局部变量的值，直至程序结束。当修饰全局变量或者函数时，static会限定该变量的作用域为当前文件（具有内部链接），其他文件并不能使用该变量或者函数。下面是一个示例：

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#include <stdio.h>
static int gInt = 1;
static void staticDemo()
{
    static int i;
    printf("%d ", i);
    i++;
    printf("%d\n", gInt);
    gInt++;
}

int main()
{
    staticDemo();
    staticDemo();
}

输出结果为：
0 1
1 2
当第一次调用staticDemo时，会首先初始化static变量，如果手动设置了初始值，那么就将其值设为指定的值，否则初始为0，程序打印出0和1，但是当执行完staticDemo时，变量i并没有别销毁。当第二次调用staticDemo时，即便执行到第5行代码，编译器也不会重新初始化i了，而是使用已经创建的i变量。因此可以总结两点：（1）static变量初始值为0（2）在其生命周期中只会被初始化一次。

External Storage Class

extern用来声明external storage class的变量，它的作用是：告诉编译器这个变量或者函数已经在其他地方定义过了，这里无需再定义了，直接使用即可。下面简单说明一下声明（declaration）和定义（definition）的区别：声明是告诉编译器变量或者函数的一些基本信息，而定义是为这些变量或者函数分配存储空间（详细的的可以看上一篇文章），同一个名称的变量或者函数可以声明很多次，但是只能定义一次。
  对于全局变量或者函数来说，如果不加static说明符，那么变量或者函数就可以被程序中的所有文件使用，而extern就是实现这一功能的关键。如果想在文件A中使用文件B中的变量i，那么就需要在A中使用extern声明i，下面是一个例子：

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A.c
#include <stdio.h>
extern int i;
int main() {
    printf("the i is %d\n", i);
}

B.c
int i = 5;

注意使用extern只是声明一个变量，并没有为其分配存储空间，所以extern int i = 5的写法是错误的，如果不加extern，那么就是对于i的定义。external变量也是会初始化的，其初始值为0。
对于函数声明（不是定义）来说，其默认storage class说明符就是extern，即void a();和extern void a();是等同的。

参考文章

C Storage Classes and Storage Class Specifiers
Storage Class and Scope