程序设计基础 · 第5次课 · 第3课时

函数（三）
作用域与静态变量：可见性、生存期与状态管理

从社区慢病随访记录编号到内存存储区模型，理解“局部变量、全局变量、static 静态变量与隐藏状态陷阱”

本课核心问题

多个函数协同处理数据时，变量应该放在哪里？能被谁看见？能保留多久？

第3课时学习目标

认知冲突：两个同名变量是同一个吗？

int count = 100;     /* Global variable: file scope */

void sample(void)
{
    int count = 0;   /* Local variable: block scope */
    printf("%d ", ++count);
}

int main(void)
{
    sample();
    printf("%d\n", count);
    return 0;
}

预测输出：打印 1 100 还是 1 1？

作用域 vs 存储期：概念辨析表

C 程序的内存分工：静态存储区 vs 动态存储区

静态存储区（Static Data）

• 存放全局变量与 static 变量
• 程序启动时一次性分配固定的内存地址
• 默认自动初始化为 0

动态存储区 / 栈区（Stack）

• 存放普通局部变量与函数形参
• 每次调用函数时动态分配栈帧
• 函数返回时其内存被立即回收交还系统

AI 协作互动：作用域与同名遮蔽陷阱审查

普通局部变量 vs static 静态局部变量

void show(void)
{
    int count = 0;
    count++;
    printf("%d ", count);
}

show(); show(); show();

void show(void)
{
    static int count = 0;
    count++;
    printf("%d ", count);
}

show(); show(); show();

贯穿案例应用 1：慢病随访记录自动编号器

int recordId(void)
{
    static int next = 0;   /* In static storage, initialized once */
    next++;
    return next;
}

int main(void)
{
    printf("Record ID: #%d\n", recordId());   /* Output #1 */
    printf("Record ID: #%d\n", recordId());   /* Output #2 */
    printf("Record ID: #%d\n", recordId());   /* Output #3 */
    return 0;
}

贯穿案例应用 2：动态累计平均函数

double runningAverage(double bmi)
{
    static double sum = 0.0;
    static int n = 0;
    if (bmi <= 0) return -1.0;   /* Guard clause: avoid polluting history */
    sum += bmi;
    n++;
    return sum / n;
}

/* Simulate 3 follow-up measurements for one resident */
printf("%.2f\n", runningAverage(24.0));   /* 24.0 / 1 = 24.00 */
printf("%.2f\n", runningAverage(23.6));   /* 47.6 / 2 = 23.80 */
printf("%.2f\n", runningAverage(23.8));   /* 71.4 / 3 = 23.80 */

暗礁：隐藏状态带来“调用顺序依赖”

同一个输入，函数一定返回相同结果吗？在有 static 的世界里并非如此！

AI 协作互动：消除隐藏状态的纯函数重构

教材例5-8：现金收支记账程序

double cash = 0.0;   /* Global balance variable */

void income(double amount)
{
    cash += amount;
}

void expend(double amount)
{
    cash -= amount;
}

全局变量的本质：破坏函数独立性

balance = income(balance, 100.0);
balance = expend(balance, 30.0);

income(100.0);  /* Modifies global cash silently */
expend(30.0);

AI 协作互动：全局变量的污染排查

教材例5-7 题面描述与复数加乘

result_real = real1 + real2;
result_imag = imag1 + imag2;

例5-7 深度找错：抓出教材原版经典 Bug

/* Buggy formula: mixed real and imaginary parts */
result_real = real2 * imag1 - real1 * imag2;

/* Correct math formula: (a+bi)(c+di) = (ac-bd) + (ad+bc)i */
result_real = real1 * real2 - imag1 * imag2;
result_imag = real1 * imag2 + imag1 * real2;

教材例5-9：用 static 变量计算阶乘

double fact_s(int n)
{
    static double f = 1.0;
    f = f * n;
    return f;
}

例5-9 致命陷阱：它根本不是真正的阶乘函数！

AI 协作互动：为伪算法设计证伪测试用例

课堂后测：两道出口核心诊断题

/* Test: call directly with n = 3 */
double ans = fact_s(3);
printf("%f\n", ans);   /* Prints 3.0 instead of 6.0! */

第五章全景图谱：结构化程序设计三部曲

课后挑战练习与第六章先导

接口清晰，状态可测；函数有界，程序常青。