C++ 作用域及命名空间

1、 作用域（Scope）

作用域（scope）是指一个标识符（比如变量名、函数名等）在程序中有效的一个区域。定义在函数内部的变量称为局部变量（Local Variable），它的作用域仅限于函数内部， 离开该函数后就是无效的，再使用就会报错。

1）局部作用域（Local Scope）

在函数或代码块内定义的变量只能在该函数或代码块内部访问。一旦函数或代码块执行完毕，该变量即被销毁。

例如，

#include <iostream>
using namespace std;
int fn(int a){
    int b,c;  //a,b,c仅在函数fn()内有效
    return a+b+c;
}
int main(){
    int m,n;  //m,n仅在函数main()内有效
    return 0;
}

2）全局作用域（Global Scope）

在所有函数外部定义的变量称为全局变量（Global Variable），它的作用域默认是整个程序，也就是所有的源文件，包括 .cpp 和 .h 文件。在所有函数之外定义的变量在整个文件中都可访问。这种变量会在程序启动时分配内存，并在程序结束时释放。

例如，

#include <iostream>
using namespace std;
int a, b=3;  //全局变量
void fn(){
     cout << a << endl << b << endl;
}
int main(){
    fn(); 
    cout << a << endl << b << endl;
    return 0;
}

3）类作用域（Class Scope）

类的成员变量和成员函数在类作用域内可见，类的成员可以通过对象或指针访问。

#include <iostream>
using namespace std;

class MyClass {
public:
    int member; // 类作用域内的成员变量
    void method() { // 类作用域内的成员函数
        cout << "Method is called. Member value is: " << member << endl;
    }
};

int main() {
    MyClass obj;  // 实例化对象
    obj.member = 10;  // 访问并设置成员变量
    obj.method();  // 调用成员函数

    return 0;
}

4）文件作用域（File Scope）

静态变量和函数在文件作用域内可见。文件作用域的变量和函数只能在定义它们的文件中访问。

// file_scope_example.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

static int fileScopedVariable = 42; // 文件作用域变量

static void fileScopedFunction() {  // 文件作用域函数
    cout << "File scoped function. Variable value: " << fileScopedVariable << endl;
}

int main() {
    fileScopedFunction();  // 调用文件作用域函数
    return 0;
}

5）语句作用域（Statement Scope）

语句作用域（Statement Scope）指的是在特定语句块 { } 中定义的变量，其作用域仅限于该块内部。如 for 循环中的变量定义，只在该语句块内有效。

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int x = 10; // 在 main 函数作用域内定义变量 x
    cout << "x in main scope: " << x << endl;

    {   // 进入新的语句作用域
        int x = 20; // 在此作用域中定义一个新的 x，覆盖 main 中的 x
        cout << "x in inner scope: " << x << endl;
    } // 语句块结束，此作用域的 x 超出作用域被销毁

    cout << "x back in main scope: " << x << endl; // 输出 main 函数作用域的 x

    for (int i = 0; i < 3; ++i) { // 循环内的 i 仅在 for 语句作用域内有效
        cout << "i in for loop scope: " << i << endl;
    }
    // cout << i; // 这里访问 i 会出错，因为 i 超出了 for 循环的作用域

    return 0;
}

2、局部变量与全局变量的区别

1）局部变量是声明在块或者函数内部的变量。局部变量的作用域局限于该块或者函数。局部变量如果没有初始化，将包含垃圾数据。

2）全局变量是在所有块和函数之前声明的变量。全局变量对所有在它之后声明的函数有效。全局变量有默认值初始化，如0。

注意：如果要调用另外一个文件中的全局变量，如果再声明一个同名的全局变量，那么编译器会因为重名报错，这个时候就要使用extern变量。extern声明告诉编译器这个变量的定义在其他文件中，所以并不会为它分配内存。

#include <iostream>
using namespace std;

int globalVar = 100; // 全局变量

void myFunction() {
    int localVar = 10; // 局部变量
    globalVar += 10; // 可以访问并修改全局变量
    cout << "Inside myFunction - localVar: " << localVar << ", globalVar: " << globalVar << endl;
}

int main() {
    int localVar = 5; // main 函数内的局部变量，与 myFunction 中的 localVar 不同
    cout << "Inside main - localVar: " << localVar << ", globalVar: " << globalVar << endl;

    myFunction(); // 调用 myFunction 函数

    cout << "After calling myFunction - localVar: " << localVar << ", globalVar: " << globalVar << endl;

    return 0;
}

3、静态局部变量和静态全局变量区别

1）非静态全局变量的作用域是整个源程序 ，当一个源程序由多个源文件组成时，非静态的全局变量在各个源文件中都是有效的。

2）静态全局变量则限制了其作用域， 即只在定义该变量的源文件内有效，在同一源程序的其它源文件中不能使用它。

3）示例代码

#include <iostream>
using namespace std;

// 静态全局变量，作用域仅限于当前文件
static int globalCounter = 0;

// 非静态全局变量，可以被其他文件访问（如果有外部链接）
int nonStaticGlobalCounter = 0;

void staticLocalExample() {
    // 静态局部变量，作用域仅限于此函数内，但生命周期贯穿程序始终
    static int localCounter = 0;
    localCounter++;
    cout << "Static Local Counter: " << localCounter << endl;
}

void staticGlobalExample() {
    globalCounter++;
    cout << "Static Global Counter: " << globalCounter << endl;
}

int main() {
    cout << "Calling staticLocalExample() multiple times:" << endl;
    staticLocalExample(); // 第一次调用，localCounter = 1
    staticLocalExample(); // 第二次调用，localCounter = 2
    staticLocalExample(); // 第三次调用，localCounter = 3

    cout << "\nCalling staticGlobalExample() multiple times:" << endl;
    staticGlobalExample(); // 第一次调用，globalCounter = 1
    staticGlobalExample(); // 第二次调用，globalCounter = 2
    staticGlobalExample(); // 第三次调用，globalCounter = 3

    return 0;
}

4、C++命名空间（Namespace）

命名空间用于组织代码，以防止名称冲突。C++允许通过命名空间将函数、类和变量分组。常用的命名空间是 std，其中包含C++标准库的所有内容。

1）命名空间的定义

访问命名空间中作用域内实体

命名空间名::命名空间成员名;

标准命名空间std

C++标准库所有标识符都是在一个名为std的命名空间中定义的，或者说标准头文件中函数、类和对象模板是在命名空间std中定义的。可以在文件开头加入 using namespace std;使用时就可以不写std::。

使用示例：

#include <iostream> 
using namespace std;   
namespace Animal
{
    void Show()
    {
        //如果上面没using namespace std; 则使用cout需要std::cout
        cout << "Animal" << endl;
    }
}
namespace Person
{
    void Show()
    {
        //如果上面没using namespace std; 则使用cout需要std::cout
        cout << "Person" << endl;
    }
}
int main()
{
    Animal::Show();
    Person::Show();
    return 0;
}

2）使用命名空间

完全限定名称：在使用命名空间中的变量或函数时，使用 命名空间名称::元素名称 的方式。

MyNamespace::myFunction();

使用 using 指令：使用 using namespace 指令可以将整个命名空间的内容引入当前作用域。

using namespace MyNamespace;
myFunction(); // 可以直接调用，不需要加前缀

使用 using 声明：只将命名空间中的特定元素引入当前作用域。

using MyNamespace::myFunction;
myFunction(); // 可以直接调用

3）匿名命名空间

匿名命名空间是没有名称的命名空间，其内容仅在定义它的文件中可见。这是一种创建文件作用域的有效方式。

#include <iostream>

namespace {
    // 匿名命名空间内的变量和函数
    int hiddenVar = 42;

    void hiddenFunction() {
        std::cout << "This is a function inside an anonymous namespace." << std::endl;
    }
}

void testFunction() {
    // 可以在当前编译单元中访问匿名命名空间内的内容
    std::cout << "Value of hiddenVar: " << hiddenVar << std::endl;
    hiddenFunction();
}

int main() {
    testFunction();

    // 无法从外部直接访问匿名命名空间内的内容
    // std::cout << hiddenVar; // 错误：不能直接访问匿名命名空间中的 hiddenVar
    // hiddenFunction(); // 错误：不能直接调用匿名命名空间中的 hiddenFunction

    return 0;
}

4）嵌套命名空间

C++17 引入了嵌套命名空间的简化语法，使得定义嵌套命名空间更简洁。

#include <iostream>

namespace OuterNamespace {
    namespace InnerNamespace {
        void display() {
            std::cout << "Inside InnerNamespace!" << std::endl;
        }
    }
}

// 使用 C++17 的简化嵌套命名空间语法
namespace OuterNamespace::NestedNamespace {
    void show() {
        std::cout << "Inside NestedNamespace!" << std::endl;
    }
}

int main() {
    // 调用 InnerNamespace 中的函数
    OuterNamespace::InnerNamespace::display();
    
    // 调用 NestedNamespace 中的函数
    OuterNamespace::NestedNamespace::show();

    return 0;
}