第 12 章 儲存類別、連結與記憶體管理

12.1 儲存類別概觀

儲存類別決定變數的作用域、連結屬性與儲存期（生命週期）。不同組合形成不同的儲存類別。

12.1.1 作用域

• 區塊作用域：在區塊 {...} 內定義，從定義處至區塊結束可見。函數參數也屬此類（隸屬函數本體區塊）。C99 允許在區塊任意位置宣告。
• 函數原型作用域：原型宣告中參數名僅在原型內可見，編譯器僅關心型別。
• 檔案作用域：所有函數外部定義，從定義處至檔案結尾可見。
• 函數作用域：僅適用於 goto 標籤。

12.1.2 連結屬性

• 外部連結：多檔案程式中可在任何檔案使用（預設檔案作用域變數）。
• 內部連結：僅在定義該變數的檔案內可見（static 修飾檔案作用域變數）。
• 無連結：區塊/原型作用域變數，僅屬於定義處區塊私有。

12.1.3 儲存期

• 靜態儲存期：程式執行期間持續存在。所有檔案作用域變數（無論內部/外部連結）皆屬此類。
• 自動儲存期：區塊作用域變數預設為自動，進入區塊建立，離開區塊銷毀。
• 動態儲存期：malloc()/free() 管理的堆疊記憶體。

12.1.4 自動變數

區塊內預設為 auto（可省略）。迴圈/判斷敘述隱含區塊亦適用。

12.1.5 暫存器變數

register 僅為請求，編譯器可能忽略。受限於暫存器大小與數量，無法取址（&）。

12.1.6 區塊作用域靜態變數

static 修飾區塊內變數：靜態儲存期、區塊作用域、無連結。程式載入時已就位，保留值跨越函數呼叫。

12.1.7 外部連結靜態變數（外部變數）

函數外部定義即為外部變數。其他檔案用 extern 宣告引用。定義宣告配置記憶體並可初始化（僅一次）；參考宣告用 extern 告知編譯器別處有定義。未初始化的外部變數自動歸零。

12.1.8 內部連結靜態變數

檔案作用域加 static：僅限本檔案函數使用，隱藏於連結器。

12.2 儲存類別說明符

單一宣告中只能出現一個儲存類別說明符。

12.3 函數的儲存類別

函數預設外部連結（可跨檔案呼叫），加 static 限制為內部連結（僅本檔案可見）。

12.4 動態記憶體配置：malloc() 與 free()

double *ptd = (double*)malloc(30 * sizeof(double));
if (ptd) { /* 使用 */ free(ptd); }

malloc 依位元組配置，成功返回起始位址，失敗返回 NULL。每次 malloc 應對應一次 free，釋放非 malloc 記憶體導致未定義行為。原型在 <stdlib.h>。標準庫提供 EXIT_SUCCESS/EXIT_FAILURE 作為 exit() 參數。

12.4.1 free() 的重要性

自動變數記憶體自動管理；靜態變數固定；唯動態配置記憶體若不 free 會持續增長，造成記憶體洩漏。

12.4.2 calloc()

long *newmem = (long*)calloc(100, sizeof(long));

calloc(n, size) 配置 n*size 位元組並全數歸零。同樣用 free() 釋放。

12.4.3 動態配置 vs 變長陣列 (VLA)

• VLA：自動儲存類別，離開定義區塊自動釋放，侷限於函數內部。
• malloc：動態儲存期，可跨函數傳遞指標，靈活但需手動管理。

自動變數使用堆疊（LIFO）；動態配置使用堆積。

12.5 ANSI C 型別限定詞

C99 規定限定詞冪等：const const int n = 6; 等同 const int n = 6;。

12.5.1 volatile

告訴編譯器：該變數可能被程式外部代理（硬體暫存器、中斷服務程式、多執行緒共享記憶體）修改，禁止優化掉存取。可同時為 const volatile（程式唯讀，硬體可寫）。

12.5.2 restrict (C99)

僅用於指標，指明該指標是存取某資料物件的唯一且初始途徑，幫助編譯器優化（如避免別名分析）。

int *restrict restar = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); // 唯一存取路徑
int *par = ar; // 非唯一，不可加 restrict

void *memcpy(void *restrict s1, void *restrict s2, size_t n);
// s1、s2 不重疊，編譯器可積極優化