一招绕开C语言static限制的方法详解

最近在技术群里看到一个关于C语言static关键字的有趣讨论，正好抽时间整理出来。说起来，这个问题并不算复杂，但背后牵扯的编译原理细节，确实值得拿出来好好掰扯掰扯。

1 问题来源

就在上个星期，群里收到一个有关static的讨论，原问题如下：

大佬们，问一个比较低智问题，static修饰的变量不是只能被当前文件所调用吗？为什么这里在其他.c文件可以调用get_board_led_opr这个函数获取board_demo_led_opr这个变量的值。

2 关于上述问题的答疑

群里当时给出了不少参考答案。不过一开始回答时，并没有直接给答案，而是先抛出了三个追问：

• get函数返回什么地址？语法层面对各种地址有约束吗？
• static修饰的全局变量存放在哪里？它的地址是什么样的？
• C语言里想访问任意一个地址，从语法层面上，能阻止得了吗？

提问者自己的理解是：

（1）get_board_led_opr函数返回的是一个自定义的结构体，但这个结构体被static修饰了。
（2）结构体放在board_demo.c中，而调用函数是在leddrv.c中。
（3）后来群里还有人说，static仅仅在编译期间有效，运行时就没什么限制了。所以虽然leddrv.c无法直接使用那个结构体，但可以通过函数间接获取它，因为函数和结构体在同一个.c文件里。

问题的关键其实就两点：

• 被static修饰之后，这个变量变成了什么？
• C语言的万能指针。

首先，被static修饰意味着只有当前C文件能直接引用访问它，但并不代表其他文件就无法访问。直接访问不行，但间接方式完全可行。方法就像上面的代码片段：把static变量的地址以指针形式传出去给其他模块。还有一点要理解：被static修饰的变量存放在全局数据区，它的生命周期是整个工程运行期间。所以你通过指针去访问它，就成了可能——这正是学习指针时提到的“间接访问”最真实的体现。

3 教科书里的static

乘此机会，来复习一下教科书里对static的描述。手头标准教材难找，索性问了问ChatGPT，它的总结大致如下：

在C语言中，static关键字有两种主要用法：静态变量和静态函数。

静态变量：
静态变量在程序运行期间一直存在，生命周期从声明处到程序结束。它被存储在静态数据区，不会受函数调用和返回的影响，每次进入函数都保留上一次的值。静态变量可以在函数内部或全局作用域中声明。函数内部声明的静态变量只能在该函数内访问，全局作用域中声明的静态变量可以在整个文件中访问。主要作用：维护变量的持久状态、限制作用域、避免与同名全局变量冲突。

void func()
{
    static int count = 0; // 定义一个静态变量
    count++;
    printf("Count: %d\n", count);
}
int main()
{
    func(); // 输出：Count: 1
    func(); // 输出：Count: 2
    func(); // 输出：Count: 3
    return 0;
}

静态函数：
静态函数只能在当前源文件中使用，作用域限于声明所在的文件，无法被其他文件调用。使用static修饰函数，可以实现函数的隐藏和封装，避免命名冲突，提高代码可读性和可维护性。

static void util_func(int value)
{
    printf("Value: %d\n", value);
}
int main()
{
    util_func(10); // 可以在当前文件中调用util_func函数
    return 0;
}

ChatGPT的总结基本到位，不过有一点它没提：static修饰的静态变量有两种情况——修饰全局变量叫静态全局变量，修饰局部变量叫静态局部变量（其实从生命周期看，它也是全局的）。上面演示的静态局部变量，作用域仅限于定义它的函数内；一旦出了这个作用域，就没办法访问到了。而静态全局变量的作用域更宽泛，允许定义它的整个C文件内访问，但其他C文件无法访问。总之，static关键字主要强调“静态”这个含义，本质就是作用域的大小问题。

4 C语言的static究竟限制了谁？

从编译原理和编译流程来拆解这个问题，答案很快就出来了。以前写过一篇关于C代码编译流程的文章，这里直接贴一张图作为参考：

顺着这个思路，来跟踪一下代码中的static。

编写C代码

// main.c
#include 

static int g_count = 0;

void func()
{
    static int l_count = 0; // 静态局部变量
    l_count++;
    g_count++;
    printf("l_count: %d, g_count: %d\n", l_count, g_count);
}

static void util_func(int value) //静态函数
{
    printf("Value: %d\n", value);
}

extern void test_func(void);

int main()
{
    func(); //输出：l_count:1
    func(); //输出：l_count:2
    func(); //输出：l_count:3
    util_func(10); //可以在当前文件中调用util_func函数，输出：Value: 10
    test_func(); // 调用test.c中的函数
    return 0;
}

// test.c
// 假设它们都是可以访问的
extern int l_count;
extern int g_count;
extern void util_func(int value);

void test_func(void)
{
#if 0
    l_count++; // 访问l_count静态局部变量，编译报错
    g_count++; // 访问g_count静态全局变量，编译报错
    util_func(100); // 调用main.c中的static函数，编译报错
#endif
}

当test_func中的if-0打开后，编译会报链接错误：

test_static$ gcc -o test *.c
/usr/bin/ld: /tmp/ccawkyDR.o: in function `test_func': test.c:(.text+0xa): undefined reference to `l_count'
/usr/bin/ld: test.c:(.text+0x13): undefined reference to `l_count'
/usr/bin/ld: test.c:(.text+0x19): undefined reference to `g_count'
/usr/bin/ld: test.c:(.text+0x22): undefined reference to `g_count'
/usr/bin/ld: test.c:(.text+0x2c): undefined reference to `util_func'
collect2: error: ld returned 1 exit status

这正是找不到变量或函数实现体的链接错误。去掉这些引用（if-0打开）后就能编译成功且正常运行：

test_static$ gcc -o test *.c
test_static$ ./test
l_count: 1, g_count: 1
l_count: 2, g_count: 2
l_count: 3, g_count: 3
Value: 10

分步拆解1：预处理后的static
使用命令：gcc -c -o main.o main.c -sa ve-temps=obj，得到main.i、main.s、main.o。查看main.i，static还在，代码基本保留原样（没有用到宏定义）。

拆解第2步：汇编文件里还有static的影子吗？
查看main.s文件，内容较长，这里只抓取关键部分：

    .file   "main.c"
    .text
    .local  g_count
    .comm   g_count,4,4
    ...
    .type   util_func, @function
util_func:
    ...
    .local  l_count.2316
    .comm   l_count.2316,4,4

可以看到，在汇编文件中，static关键字消失了，但取而代之的是.local和.comm等伪指令。也就是说，static已经转为其他信息了。

拆解第3步：obj文件中确认没有static？
用readelf -a main.o查看，找到以下符号：

5: 0000000000000000     4 OBJECT  LOCAL  DEFAULT    4 g_count
7: 0000000000000004     4 OBJECT  LOCAL  DEFAULT    4 l_count.2316
8: 0000000000000048    40 FUNC    LOCAL  DEFAULT    1 util_func

g_count、l_count、util_func都被标记为LOCAL，而不是GLOBAL。这就是关键所在。

拆解第4步：链接后的可执行文件反汇编
执行objdump -l -d -x -s -S test，结果很长，但照样能找到l_count、g_count、util_func的地址信息。从最终的反汇编看，static的修饰效果在链接阶段体现为符号的可见性控制。

综上可知，static的修饰主要是给编译器做了提示，生成的obj文件中带上了local属性，告诉链接器不能扩大这些内容的使用范围，从而达到了教科书上说的static的作用效果。另外还有一个方法：写一个带static和不带static的全局变量，通过反汇编对比分析，也能快速看出核心区别，有兴趣的读者可以自己试试看。

再留一个疑问：编译器、链接器如何做到一个static修饰的局部变量只能被当前函数内访问？这个问题有点深入，也留给读者去探索吧。

5 一种绕开static限制的方法

说到绕开static的限制，其实第一小节的那个问题例子就是一个好思路。方法无非两种：

• 将被static修饰的函数转换为没有被static修饰的函数
• 将被static修饰的变量转换为没有被static修饰的变量

这种做法在行业里叫“封装”。第一小节的代码演示了将static变量通过传出地址的方式导出给外部模块使用。下面再展示一个例子：将被static修饰的函数转换为不被static修饰的函数，从而给外部模块使用。

// test_a.c
static int test_func_in_a(int a)
{
    return a * 2;
}

int test_func_in_a_ex(int a)
{
    return test_func_in_a(a);
}

// test_b.c
int test_func_in_b(void)
{
    int a = 1;
    int b;
    //call test_func_in_a function fail because of "static"
    //b = test_func_in_a(a)
    //call test_func_in_a_ex function ok without "static"
    b = test_func_in_a_ex(a);
    return b;
}

代码很简单：在test_a.c中写一个不被static修饰的函数test_func_in_a_ex，让它调用被static修饰的test_func_in_a，这样就轻松绕开了static的限制。你学会了吗？

6 拓展延伸：如何调用静态库里的被static修饰的函数？

关于这个拓展延伸，其实很早就想写一篇博文，但一直拖到现在。索性在这里做个牵引吧。个人认为，这个问题应该分为两个场景：

• 静态库的代码你有修改权限，或者能找到人来修改（比如公司内部不同团队之间的公有库代码）。
• 静态库的代码你完全没办法查看源码或修改源码（比如第三方库）。

针对这两种不同场景，采取的方式可能不一样。你觉得应该如何做最好呢？

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