面试官：请说明全局变量与局部变量的区别，它们的生命周期是如何管理的？操作系统和编译器又是如何识别它们的？
应聘者回答参考 ：
在 C++ 中，全局变量与局部变量在作用域、生命周期、内存分布 等方面存在显著区别，操作系统和编译器通过它们在内存中的位置来区分和管理它们。
定义与作用域
全局变量：
- 在所有函数和类之外声明
- 默认可在整个程序的任何部分访问
- 可以使用extern关键字在其他文件中引用
局部变量：
- 在函数、方法或代码块内部声明
- 只能在声明它的函数或代码块内部访问
- 包括函数参数、自动变量和静态局部变量
cpp
int globalVar = 10; // 全局变量
void function() {
int localVar = 20; // 局部变量
// 这里可以访问globalVar和localVar
}
// 这里只能访问globalVar内存分配
全局变量：
- 存储在数据段（.data段或.bss段）
- 程序启动时分配内存，程序结束时释放
- 未初始化的全局变量存储在.bss段，初始化为0
- 已初始化的全局变量存储在.data段
局部变量：
- 普通局部变量存储在栈上
- 使用new创建的动态局部变量存储在堆上
- 使用static修饰的局部变量存储在数据段，但作用域仍限于函数内
cpp
int globalVar = 10; // 存储在.data段
void function() {
int stackVar = 20; // 存储在栈上
static int staticLocalVar = 30; // 存储在数据段
int* heapVar = new int(40); // 指向存储在堆上的内存
// ...
delete heapVar; // 需要手动释放堆内存
}生命周期
全局变量：
- 程序开始时创建，程序结束时销毁
- 静态存储期(static storage duration)
局部变量：
- 普通局部变量：进入作用域时创建，离开作用域时销毁（自动存储期）
- 静态局部变量：程序开始时创建，程序结束时销毁，但作用域仍限于函数内
- 动态分配变量：由new创建，由delete销毁，生命周期由程序员控制
cpp
void function() {
static int counter = 0; // 静态局部变量，函数多次调用间保持值
int autoVar = 0; // 自动变量，每次函数调用都重新初始化
counter++; // 计数器在函数调用间递增
}初始化
全局变量：
- 如果未显式初始化，会被自动初始化为0
- 全局对象的构造函数在main函数执行前调用
局部变量：
- 自动变量如果未初始化，包含垃圾值
- 静态局部变量如果未初始化，会被自动初始化为0
- 类对象的局部变量会调用默认构造函数
cpp
int globalInt; // 自动初始化为0
double globalDouble; // 自动初始化为0.0
void function() {
int localInt; // 未初始化，包含垃圾值
static int staticInt; // 自动初始化为0
}命名空间与可见性
全局变量：
- 可以放在命名空间中限制其可见性
- 可以使用static关键字限制在当前文件可见
- 使用extern关键字在其他文件中引用
局部变量：
- 只在声明它的作用域内可见
- 可以与全局变量同名，局部变量会覆盖全局变量
cpp
// file1.cpp
namespace MyNamespace {
int sharedVar = 10; // 命名空间内的全局变量
}
static int privateVar = 20; // 仅在当前文件可见的全局变量
int publicVar = 30; // 可在其他文件引用的全局变量
// file2.cpp
extern int publicVar; // 引用file1.cpp中的全局变量
// 可以访问publicVar和MyNamespace::sharedVar，但不能访问privateVar线程安全性
全局变量：
- 在多线程环境中被所有线程共享
- 需要同步机制（如互斥锁、原子操作）保护
- C++11后可以使用thread_local声明线程局部存储的全局变量
局部变量：
- 自动局部变量对每个线程独立，天然线程安全
- 静态局部变量在多线程环境中需要同步机制
- C++11保证静态局部变量的初始化是线程安全的
cpp
// 线程局部存储
thread_local int threadSpecificVar = 0;
void threadFunction() {
// 每个线程有自己的threadSpecificVar副本
threadSpecificVar++;
static int sharedStaticVar = 0; // 所有线程共享，需要同步
std::mutex mtx;
{
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
sharedStaticVar++; // 使用互斥锁保护
}
}内存优化与性能
全局变量：
- 可能导致数据缓存效率降低
- 大型全局数组可能增加程序的内存占用
- 编译器优化受限，因为全局变量可能在任何地方被修改
局部变量：
- 编译器可能将频繁使用的局部变量优化到寄存器中
- 栈变量的分配和释放非常高效
- 有利于指令缓存和数据缓存的效率