# Local & Global Variable

Global variable（全域變數）和Local variable（局部變數）

關於C語言的變數，不只是能夠賦值那麼簡單而已，變數還有「生命週期」和「等級」的觀念。
在C語言中，變數的生命週期，也就是變數的有效範圍（scope），可分為「全域」和「局部」兩種。

我們先來講解變數的有效範圍（scope），先看看底下幾條規則：

Global variable（全域變數）和Local variable（局部變數）的規則：

1. Global variable（全域變數）是在{ }區塊範圍「之外」宣告的變數，因此對於Global variable來說，它的生命週期不受{ }的範圍限制。
2. 相對的，Local variable（局部變數）就是在{ }的範圍內宣告的變數，只要一離開這個{ }的範圍，它的「生命」就會消失，不再有效。也就是說，一旦脫離了Local variable被宣告的{ }範圍，就無法再存 / 取它。
3. Global variable和Local variable的觀念是「相對」的，也就是說可能對於某個{ }區塊來說它是Global variable，但如果它仍被包在更大的{ }區塊之內，以這個更大的{ }的觀點來看，它仍然是Local variable。
4. 當出現相同名稱的變數時，編譯器會優先取用Local variable，而不是Global variable。可以想成，若就近就可以取得的變數，就不需要再跑出去找了。
5. 除非是{ }範圍內找不到對應的Local variable的宣告，編譯器才會脫離該{ }區塊，去找尋更大的{ }範圍內有無對應的宣告。若找的到，則該變數對於該{ }區塊而言，就會成為Global variable；若都找不到，則編譯器會跳出「該變數未宣告」的錯誤訊息。
6. 對於Local variable來說，由於有效範圍的原因，即使是同樣名稱的變數，只要它們位於不同的{ }區塊，就沒有重複宣告的問題，當然你也可以把不同{ }區塊的Local variable都設為不同的名稱，可能會更加容易區別（非必要）；但Global variable則仍然會有重複宣告的問題存在。

說了那麼多，來看個實際的範例：


注意我們在第1列、第2列，也就是整個程式的{ }區塊之外，宣告y、z為整數型態，沒有比它更大的{ }範圍了，所以對於整個程式來說，y、z即為Global variable，即圖中整個藍底區塊都是y、z的有效範圍。

我們來逐步解析這段程式碼：
一、 程式從進入點開始執行，也就是main（）函數的{ }區塊，即標示為第9列的地方開始執行。
二、 第10 ~ 12列以指派運算子「=」進行賦值，但編譯器只有在第9列找到變數x是個被宣告為整數型態的Local variable，卻不認識y和z，於是跳脫這個{ }區塊出去找y和z到底是什麼，並順利在第1列和第2列找到了被宣告為Global variable的y和z。也就是說，我們在第11列和第12列，是替做為Global variable的y、z賦值。
三、 因此，在第13列，要求印出三者的值時，就印出x（Local）和y、z（Global）三者的值都是10。
四、 程式繼續執行到第14列，要求呼叫myfunction（）函數並代入引數值5，所以程式跳回到第3列的位置，並把a = 5代進去，此時在myfunction（）函數的{ }區塊內，x、y、z都被賦值為5。
五、 不過，由於Local variable的觀念，我們知道在第4列和第5列被宣告為Local variable的x、z兩個整數變數，它們的有效範圍只存在於myfunction（）函數的{ }區塊之內，一旦脫離就會消失，只有整數變數y仍然保持著它Global variable的身分，y的有效範圍為整個程式（藍底區塊），所以myfunction（）函數改變了變數y的值。
六、 因此，在第15列，要求印出現在三者的值，x、z的值仍保持不變，只有y的值受到改變。

其實這個範例的寫法是非常差勁的，因為如果沒有仔細推敲過，很難一眼就知道輸出的結果，只是用來讓讀者了解觀念而已。由這個例子也可以看出，一旦使用了Global variable，雖然電腦不會搞錯，但對人類來說，卻徒增複雜度，讓程式碼變得難懂，以至於更容易犯錯，也提高了未來維護和修改的難度，所以大多數老師或教學都會請學生盡量少使用Global variable，或是乾脆都不要使用，原因就是如此。

然而，在少數情況下還是適合使用Global variable的。例如：可以通過Global variable的使用，來避免常用變數在一系列函數間的頻繁傳遞，以提高運算效能。不過還是建議不那麼熟悉的人，盡量少用Global variable。

C語言對於Global variable的使用沒有任何限制，但在大多數「物件導向」的程式語言，例如Java或C#，則規定所有的程式碼都必須被放在類別或方法的{ }區塊中，就能減少很多這方面的困擾。

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變數的等級：
接續剛才全域變數和局部變數的觀念，再來談談變數的「等級」。

C語言預設的變數等級是auto（自動），也就是當變數所在的函數被呼叫（執行）時，系統才會配置記憶體空間存放函數所宣告的變數值，並且在函數結束時自動釋放掉變數所佔用的記憶體空間。當下次再度呼叫函數時，系統又會再一次重新配置記憶體空間給函數內的變數。

是否覺得這段文字很熟悉，沒錯，這就是Local variable的觀念，系統不會一直把變數的值保留在記憶體中，而是不斷重複配置 – 釋放 – 配置 – 釋放 … 的動作。由於auto等級的變數是系統預設的等級，所以我們不需要特別告訴系統要使用它。

除了auto等級的變數，C語言還提供了static（靜態）等級的變數。被宣告為static等級的變數，在其函數結束時，仍然不會自動釋放掉它所佔用的記憶體空間，而是繼續霸佔著不放，於是在{ }區塊之外也能存 / 取static等級的變數。這就是Global variable的觀念了，也就是說一旦我們宣告了一個Global variable，也就相當於把這個變數宣告為static（靜態）的。由於static等級不是預設等級，因此需要特別在宣告的最前面寫上「static」修飾，就像形容詞一樣。

我們來看一段實際的程式碼：
void function1（） // 定義函數function1（）
{ int a = 0; // 沒有特別註明，即代表宣告a為auto等級的整數變數
a++ // a = a + 1
printf（”%d\n”,a）;
}

void function2（） // 定義函數function2（）
{ static int a = 0; // 宣告a為static等級的整數變數
a++ // a = a + 1
printf（”%d\n”,a）;
}

main（） // 程式的進入點
{ int i; // C語言無法在迴圈的（）內才宣告變數

printf（”Execute function1 three times:\n”）;
for（i=0 ; i<3 ; i++）
function1（）; // 呼叫（執行）function1（）函數3次

printf（”Execute function2 three times:\n”）;
for（i=0 ; i<3 ; i++）
function2（）; // 呼叫（執行）function2（）函數3次
}

執行結果：
一、呼叫function1（）函數3次，每次都印出1，原因是function1（）函數的變數a為auto等級，所以它的值每一次都被重新分配 – 釋放 – 分配 – 釋放 …。

二、呼叫function2（）函數3次，分別印出「1、2、3」，發現輸出值是會持續被累加的，原因是function2（）函數的變數a為static等級，每次執行完函數都不會把變數占用的記憶體空間釋放出來，所以變數a的值當然就會不斷累加上去。

三、也因為static等級的變數不會在執行完一段敘述之後釋放出記憶體空間，相當於任何人都可以存 / 取這段記憶體空間的資料，也就是「共享」的概念。雖然在某些特殊的場合很實用，但也會造成資訊安全的疑慮，因為駭客可利用這個特性，竊取static等級的變數的資料。用比喻來說，就是你的車子每次開完都不停回自家車位，而是停在大馬路邊，當然會提高失竊的風險。

除了auto和static等級之外，C語言還提供了兩個變數等級：register和extern。

我們先解說register等級，要理解為什麼會有register等級，還要了解電腦記憶體的硬體架構。簡單的說，register也是一段記憶體空間（台灣翻譯為暫存器），不過由於它是內建在CPU的記憶體區塊，距離CPU最近，所以CPU做存 / 取的速度也會是最快的。所以，宣告為register等級的目的只有一個：讓變數的存 / 取（或說讀 / 寫）速度達到最快，以執行某些需要高速運算的程式。不過CPU的暫存器空間都不大，所以只能讓少許被密集使用的變數被宣告為register等級。

例如以下的程式碼，將變數sum和i宣告為register等級，讓CPU可以用最短的距離存 / 取記憶體，因此執行速度會超快。
register int sum = 0 ;
register int i ;
for（ i = 1 ; i<=100 ; i++）
sum = sum + i ;

不過，由於現代電腦效能的飛速發展，早已和C語言被發明的年代不可同日而語，所以效能的差異並不明顯，甚至幾乎沒有感覺，因此一般程式設計師很少自行指定register等級的變數。

還有最後一個extern（外部的）等級，它比較特別，是專門用來修飾全域變數（Global variable）的關鍵字。它的用途是，當所要存取的全域變數的有效範圍並不涵蓋到該{ }區塊時，必須要用extern做修飾，告訴系統要去{ }的範圍之外找尋。

我們來看個例子：
main（）
{ int i ;
sum = 0 ; // 注意sum沒有宣告就賦值了

for（i=1 ; i<=100 ; i++）
sum = sum + i ;
}
int sum ; // 注意這邊把sum的宣告擺在全域變數

由於sum是在main（）函數的{ }範圍外被宣告的，所以sum對於main（）函數來說是全域變數，這沒有問題。但由於「int sum ;」這段宣告寫在main（）函數的{ }區塊下方，而不是正規寫法的上方，由於變數的有效範圍是從宣告處起「往下」，因此「int sum ;」的有效範圍並不包含main（）函數，所以編譯程式時會發生：「變數sum未宣告」的錯誤。

以下是正確的程式碼：
main（）
{ int i ;
extern int sum ;

for（i=1 ; i<=100 ; i++）
sum = sum + i ;
}
int sum ;

說實在，由於不鼓勵使用Global variable，而且上面這樣的寫法也比較怪異（雖然沒錯，但不是正規習慣的寫法），所以extern幾乎不會用到，也建議少用為妙。