C/Visibilità

Il problema del campo di azione di variabili e funzioni va visto assieme a quello della compilazione di un programma composto da più file sorgenti, attraverso la produzione di file-oggetto distinti.

Dalla parte del linker

Il programma che raccoglie assieme diversi file-oggetto per creare un file eseguibile (ovvero il linker), deve «collegare» i riferimenti incrociati a simboli di variabili e funzioni. In pratica, se nel file uno.o si fa riferimento alla funzione f() dichiarata nel file due.o, nel programma risultante tale riferimento deve essere risolto con degli indirizzi appropriati. Naturalmente, lo stesso vale per le variabili globali, dichiarate da una parte e utilizzate anche dall'altra.

Per realizzare questi riferimenti incrociati, occorre che le variabili e le funzioni utilizzate al di fuori del file-oggetto in cui sono dichiarate, siano pubblicizzate in modo da consentire il richiamo da altri file-oggetto. Per quanto riguarda invece le variabili e le funzioni dichiarate e utilizzate esclusivamente nello stesso file-oggetto, non serve questa forma di pubblicità.

Nei documenti che descrivono il linguaggio C standard si usa una terminologia specifica per distinguere le due situazioni: quando una variabile o una funzione viene dichiarata e usata solo internamente al file-oggetto rilocabile che si ottiene, è sufficiente che abbia una «collegabilità interna», ovvero un linkage interno; quando invece la si usa anche al di fuori del file-oggetto in cui viene dichiarata, richiede una «collegabilità esterna», ovvero un linkage esterno.

Nel linguaggio C, il fatto che una variabile o una funzione sia accessibile al di fuori del file-oggetto rilocabile che si ottiene, viene determinato in modo implicito, in base al contesto, nel senso che non esiste una classe di memorizzazione esplicita per definire questa cosa.

Campo d'azione nel file sorgente

Il file sorgente che si ottiene dopo l'elaborazione da parte del precompilatore, è suddiviso in componenti costituite essenzialmente dalla dichiarazione di variabili e di funzioni (prototipi inclusi). L'ordine in cui appaiono queste componenti determina la visibilità reciproca: in linea di massima si può accedere solo a quello che è già stato dichiarato. Inoltre, in modo predefinito, dopo la trasformazione in file-oggetto, queste componenti sono accessibili anche da altri file, per i quali, l'ordine di dichiarazione nel file originale non è più importante.

Quando la variabile viene definita in una posizione successiva al suo utilizzo, questa deve essere dichiarata preventivamente come «esterna», attraverso lo specificatore di classe di memorizzazione extern.

Per isolare le funzioni e la variabile, in modo che non siano disponibili per il collegamento con altri file, si dichiarano per il solo uso locale attraverso lo specificatore di classe di memorizzazione static.

Per accedere a una funzione o a una variabile definita in un altro file si deve dichiarare localmente la funzione o la variabile con lo specificatore di classe di memorizzazione extern.

Visibilità all'interno delle funzioni

All'interno delle funzioni sono accessibili le variabili globali dichiarate esternamente a loro, inoltre sono dichiarate implicitamente le variabili che costituiscono i parametri, dai quali si ricevono gli argomenti della chiamata, e si possono aggiungere altre variabili «locali». I parametri e le altre variabili che si dichiarano nella funzione sono visibili solo nell'ambito della funzione stessa; inoltre, se i nomi delle variabili e dei parametri sono gli stessi di variabili dichiarate esternamente, ciò rende temporaneamente inaccessibili quelle variabili esterne.

In condizioni normali, sia le variabili che costituiscono i parametri, sia le altre variabili dichiarate localmente all'interno di una funzione, vengono eliminate all'uscita dalla funzione stessa.

All'interno di una funzione è possibile utilizzare variabili che facciano riferimento a porzioni di memoria che non vengono rilasciate all'uscita della funzione stessa, pur isolandole rispetto alle variabili dichiarate esternamente. Si ottiene questo con lo specificatore di classe di memorizzazione static che non va confuso con lo stesso specificatore usato per le variabili dichiarate esternamente alle funzioni. In altre parole, quando in una funzione si dichiara una variabile con lo specificatore di classe di memorizzazione static, si ottiene di conservare il contenuto di quella variabile che torna a essere accessibile nelle chiamate successive della funzione.

Di norma, la dichiarazione di una variabile di questo tipo coincide con la sua inizializzazione; in tal caso, l'inizializzazione avviene solo quando si chiama la funzione la prima volta.

Campo d'azione nei blocchi di istruzioni

Le variabili dichiarate all'interno di raggruppamenti di istruzioni, ovvero all'interno di parentesi graffe, si comportano esattamente come quelle dichiarate all'interno delle funzioni: il loro campo di azione termina all'uscita dal blocco.

Visibilità, accessibilità, staticità

Va chiarita la distinzione che c'è tra la visibilità di una variabile e l'accessibilità al suo contenuto. Quando una funzione dichiara delle variabili automatiche o statiche con un certo nome, se questa funzione chiama a sua volta un'altra funzione che al suo interno fa uso di variabili con lo stesso nome, queste ultime non si riferiscono alla prima funzione. Si osservi l'esempio:

#include <stdio.h>

int x = 100;

int f (void)
{
    return x;
}

int main (void)
{
    int x = 7;
    printf ("x == %d\n", x);  
    printf ("f() == %d\n", f());
    
    return 0;
}

Avviando questo programma si ottiene il testo seguente:

x == 7
f() == 100

In pratica, la funzione f() che utilizza la variabile x, si riferisce alla variabile con quel nome, dichiarata esternamente alle funzioni, che risulta inizializzata con il valore 100, ignorando perfettamente che la funzione main() la sta chiamando mentre gestisce una propria variabile automatica con lo stesso nome. Pertanto, la variabile automatica x della funzione main() non è visibile alle funzioni che questa chiama a sua volta.

D'altra parte, anche se la variabile automatica x non risulta visibile, il suo contenuto può essere accessibile, dal momento della sua dichiarazione fino alla fine della funzione (ma questo richiede l'uso di puntatori). Alla fine dell'esecuzione della funzione, tutte le sue variabili automatiche perdono la propria identità, in quanto scaricate dalla pila dei dati, e il loro spazio di memoria può essere utilizzato per altri dati (per altre variabili automatiche di altre funzioni).

Si osservi che lo stesso risultato si otterrebbe anche se la variabile x della funzione main() fosse dichiarata come statica:

...
int main (int argc, char *argv[])
{
    static int x = 7;
    printf ("x == %d\n", x);
    
    printf ("f() == %d\n", f());
    return 0;
}

Le variabili statiche, siano esse dichiarate al di fuori o all'interno delle funzioni, hanno in comune il fatto che utilizzano la memoria dal principio alla fine del funzionamento del programma, anche se dal punto di vista del programma stesso non sono sempre visibili. Pertanto, il loro spazio di memoria sarebbe sempre accessibile, anche se sono oscurate temporaneamente o se ci si trova fuori dal loro campo di azione, attraverso l'uso di puntatori. Naturalmente, il buon senso richiede di mettere la dichiarazione di variabili statiche al di fuori delle funzioni, se queste devono essere manipolate da più di una di queste.

Le variabili che utilizzano memoria dal principio alla fine dell'esecuzione del programma, ma non sono statiche, sono quelle variabili dichiarate all'esterno delle funzioni, per le quali il compilatore predispone un simbolo che consenta la loro identificazione nel file-oggetto. Il fatto di non essere statiche (ovvero il fatto di guadagnare un simbolo di riconoscimento nel file-oggetto) consente loro di essere condivise tra più file (intesi come unità di traduzione), ma per il resto valgono sostanzialmente le stesse regole di visibilità. Il buon senso stesso fa capire che tali variabili possano essere dichiarate solo esternamente alle funzioni, perché dentro le funzioni si usa prevalentemente la pila dei dati e perché comunque, ciò che è dichiarato dentro la funzione deve avere una visibilità limitata.