第一章 C语言关键字 - auto和register

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《C语言深入理解系列- 关键字：auto和register》

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关键字概述

很多朋友看到这儿可能会有疑问，往往其它讲C语言的书籍都是从HelloWorld，数据类型开始C语言学习的，为什么我们要从C语言的关键字开始呢？关于这点，我有两点需要说明：

• 本章节面向的读者对象是有一定的C语言基础知识的朋友（至少应该学习过大学里的C语言程序设计等类似的课程）
• 本章节结合了作者多年嵌入式工作、研究、教学经验而作，由计算机底层硬件到上层软件设计融会贯通，中间有大量的深入浅出的示例

在我对C语言进行培训的时候，往往就是从C语言的关键字入手，因为C语言的关键字蕴含了C语言的全部的词汇，囊括了C语言里大量知识要点，从C语言关键字开刀，首先可以对你之前所学知识进行复习，其次，切磋一下和作者有什么不同的见解，废话少说，让我们从关键字开始。

关键字，又叫保留字，是编译器能识别的特殊单词，每种计算机语言都会有其特定的关键字，C语言中有32位关键字。

问：为什么要有关键字？

答：关键字是程序设计中代码必须包含的部分，编译器在编译C代码的时候，必然要将C代码进行断句，将代码分割成不同部分，将这些部分分别进行解析和编译。

int a = 10; int是关键字，编译器看到它出现，会将它后面的字符作为整型变量名来处理。

也就是说，关键字是编译器能认识的特殊字符串符号。

关键字的数量是由编译器来决定的，关键字大小写敏感性也和编译器有关。如果关键字写错，那么在代码的解析过程中，编译器就会报错：符号不能识别或符号不能被解析。

每个关键字有着不同的意义，用来告知编译器编程者的目的。

关键字分类

32个关键字每个都有不同的意义，大体上根据其意义可以分为以下几类（下划线表示不同分类中有交集）：

1) 非常见：auto、register、volatile、goto

2) 存储相关：const、extern、register、volatile、static、auto、signed、unsigned

3) 数据类型：char、short、int、float、long、double、struct、union、enum、void

4) 逻辑控制：if、else、for、while、do、break、continue、return、default、switch、case、goto

5) 特殊用途：sizeof、typedef

我相信，大部分关键字我们都能认识，并且能够使用，有一部分可能很少见，甚至一点印象也没有：它也是C语言的关键字？？？

1. 隐形刺客：auto

描述：auto关键字在我们写的代码里几乎看不到，但是它又无处不在，它是如此的重要，又是如此的与世无争，默默的履行着自己的义务，却又隐姓埋名。

作用：C程序是面向过程的，在C代码中会出现大量的函数模块，每个函数都有其生命周期（也称作用域），在函数生命周期中声明的变量通常叫做局部变量，也叫自动变量。例如：

int fun(){
      int a = 10;      // auto int a = 10;
      // do something
      return 0;
}

整型变量a在fun函数内声明，其作用域为fun函数内，出来fun函数，不能被引用，a变量为自动变量。也就是说编译器会有int a = 10之前会加上auto的关键字。

auto的出现意味着，当前变量的作用域为当前函数或代码段的局部变量，意味着当前变量会在内存栈上进行分配。

内存栈：

如果大家学过数据结构，应该知道，栈就是先进后出的数据结构。它类似于我们用箱子打包书本，第一本扔进去大英，第二本扔进行高数，第三本扔进行小说，那么取书的时候，先取出来第一本是小说，第二是高数，第三本是大英。

栈的操作为入栈和出栈，入栈就是向箱子里扔书，出栈就是从箱子里取书。那么这和我们的auto变量分配空间有什么关系呢？

由于一个程序中可能会有大量的变量声明，每个变量都会占有一定的内存空间，而内存空间对于计算机来说是宝贵的硬件资源，因此合理的利用内存是编译器要做的一个主要任务。有的变量是一次性使用的，如局部变量。有的变量要伴随着整个程序来使用的，如全局变量。为了节省内存空间，优化性能，编译器通常会将一次性使用的变量分配在栈上。也就是说，代码中声明一个一次性变量，就在栈上进行入栈操作。当该变量使用完了（生命周期结束），进行出栈操作。这样，在执行不同的函数的时候，就会在一个栈上进行出入栈操作，也就是说它们在频繁的使用一个相同的内存空间，从而可以更高效的利用内存。

PS：有的编译器为了提高效率，在出栈时不会进行数据清空，这也就意味着，下个函数里的变量在入栈使用该空间时，里面的数据是上一次变量操作的结果。

2. 闪电飞刀：register
描述：register就和它的名字一样，很少出现在代码世界中，因为敢称为闪电飞刀的变量，通常只会在一些特定场合才能出现。它是如此的快，以致于CPU都对其刮目相看，但是它有一个致命的缺点，它的速度“看心情”而定，不是每一次都能让人满意。

作用：如果一个变量被register来修辞，就意味着，该变量会作为一个寄存器变量，让该变量的访问速度达到最快。比如：一个程序逻辑中有一个很大的循环，循环中有几个变量要频繁进行操作，这些变量可以声明为register类型。

寄存器变量：寄存器变量是指一个变量直接引用寄存器，也就是对变量名的操作的结果是直接对寄存器进行访问。寄存器是CPU的亲信，CPU操作的每个操作数和操作结果，都由寄存器来暂时保存，最后才写入到内存或从内存中读出。也就是说，变量的值通常保存在内存中，CPU对变量进行读取先是将变量的值从内存中读取到寄存器中，然后进行运算，运算完将结果写回到内存中。为什么要这么设计，而不直接对变量的值从内存中进行运算，而要再借助于寄存器？这是由于考虑到性能的问题才这么设计的。在计算机系统中，包含有很多种不同类型的存储器，如表xxx所示。

表xxx 计算机存储器分类

名称	速度	特点	用途
静态存储器	最快	造价高，体积大，适合小容量的缓存	寄存器，缓存
动态存储器	较快	造价较低，体积较小，适合大容易保存数据	内存

在计算机中CPU的运算速度最快，现在都达到3GHZ左右，而相对应的存储器速度却相对慢很多，访问速度最快的寄存器和缓存，由于其体积又大，不适合大容量的使用，所以只能二者相接合的方式来提高效率。程序代码保存在内存中，当使用数据时，将其送到寄存器，让CPU来访问，使用完毕，送回内存保存。而C语言又允许使用寄存器来保存变量的值，很明显这样能大大提高程序的执行速度，但是，寄存器的个数是有限的，X86也就是十几个，ARM最多才37个。我们不可能将全部的变量都声明为寄存器变量，因为其它代码也要使用寄存器，同样，我们声明的寄存器变量也不一定直接保存在寄存器中，因为寄存器可能全部都在被其它代码占用。编译器只能是尽量的为我们的变量安排在寄存器中。

在使用寄存器变量时，请注意：

• 待声明为寄存器变量类型应该是CPU寄存器所能接受的类型，意味着寄存器变量是单个变量，变量长度应该小于等于寄存器长度
• 不能对寄存器变量使用取地址符“&”，因为该变量没有内存地址
• 尽量在大量频繁的操作时使用寄存器变量，且声明的变量个数应该尽量的少

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