C++内存分区模型分析与实例以及扩展

969 阅读8分钟

携手创作,共同成长!这是我参与「掘金日新计划 · 8 月更文挑战」的第2天,点击查看活动详情

内存分区模型

C++程序在执行时,将内存大方向划分为5个区域

运行前:

  • 代码区:存放函数体的二进制代码,由操作系统进行管理的
  • 全局区(静态区):存放全局变量和静态变量以及常量
  • 常量区:常量存储在这里,不允许修改

运行后:

  • 栈区:由编译器自动分配释放, 存放函数的参数值,局部变量等
  • 堆区:由程序员分配和释放,若程序员不释放,程序结束时由操作系统回收

内存四区意义:

不同区域存放的数据,赋予不同的生命周期, 给我们更大的灵活编程

程序运行前

分析

​ 在程序编译后,生成了exe可执行程序,未执行该程序前分为两个区域

代码区:

​ 存放 CPU 执行的机器指令

​ 代码区是共享的,共享的目的是对于频繁被执行的程序,只需要在内存中有一份代码即可

​ 代码区是只读的,使其只读的原因是防止程序意外地修改了它的指令

全局区:

全局变量静态变量存放在此.

​ 全局区还包含了常量区, 字符串常量和其他常量也存放在此.

​ ==该区域的数据在程序结束后由操作系统释放==.

示例

原理:对比不同类型数据的地址区分区域划分。

//全局变量
int g_a = 10;
int g_b = 10;

//const修饰的全局变量:全局常量
const int c_g_a = 10;
const int c_g_b = 10;

int main() {

	//局部变量
	int a = 10;
	int b = 10;

	cout << "局部变量a地址为: " << (int)&a << endl;//(int)将地址信息转成10进制
	cout << "局部变量b地址为: " << (int)&b << endl;

	cout << "全局变量g_a地址为: " <<  (int)&g_a << endl;
	cout << "全局变量g_b地址为: " <<  (int)&g_b << endl;

	//静态变量
	static int s_a = 10;
	static int s_b = 10;

	cout << "静态变量s_a地址为: " << (int)&s_a << endl;
	cout << "静态变量s_b地址为: " << (int)&s_b << endl;
    
	//常量
    //1,字符串常量
	cout << "字符串常量地址为: " << (int)&"hello world" << endl;
	cout << "字符串常量地址为: " << (int)&"hello world1" << endl;
	//2.1const修饰的全局变量:全局常量
	cout << "全局常量c_g_a地址为: " << (int)&c_g_a << endl;
	cout << "全局常量c_g_b地址为: " << (int)&c_g_b << endl;
	//2.2const修饰的局部变量
	const int c_l_a = 10;
	const int c_l_b = 10;
	cout << "局部常量c_l_a地址为: " << (int)&c_l_a << endl;
	cout << "局部常量c_l_b地址为: " << (int)&c_l_b << endl;

	system("pause");

	return 0;
}

打印结果:

局部变量在一个段里;全局变量、静态变量、其他常量在另一个段里。

实例刨析:

局部变量:函数体内(栈区)
全局变量:函数体外
静态变量:函数体内(普通变量前加static)
常量:函数体内
1.字符串常量
2.const修饰的变量

​ (1)const修饰的全局变量:全局常量

​ (2)const修饰的局部变量不在全局区栈区

总结

  • C++中在程序运行前分为全局区和代码区
  • 代码区特点是共享和只读
  • 全局区中存放全局变量、静态变量、常量
  • 全局区的常量区中存放 const修饰的全局常量 和 字符串常量

易混点

区分静态变量(static)与const修饰的局部变量

程序运行后

栈区分析

栈区:

​ 由编译器自动分配释放, 存放函数的参数值,局部变量等

示例

int * func()
{
	int a = 10;//局部变量存放在栈区,栈区的数据在函数执行完成后自动释放。
	return &a;//返回局部变量的地址
}

int main() {

	int *p = func();

	cout << *p << endl;
	cout << *p << endl;

	system("pause");

	return 0;
}

易错点

不要返回局部变量的地址,栈区开辟的数据由编译器自动释放,函数运行结束后函数内的局部变量被释放,将无法使用传回的函数体内的局部变量的地址!

注意:根据编译器不同,编译器有时会保留,但是注意不要这么做!

图片刨析:假设编译器只会保留一次函数体内局部变量的地址,即传出的地址只能调用一次。

如果假设成立,那么*func()的调用将不受次数限制,因为func()每次传回的都是最新的地址,而*p只能调用一次,因为*p经过了局部变量的存储,编译器保留了一次地址后将地址释放之后p地址将失效,无法继续访问。

堆区分析

堆区:

​ 由程序员分配释放,若程序员不释放,程序结束时由操作系统回收

​ 在C++中主要利用new在堆区开辟内存

示例

int* func()
{
	int* a = new int(10);//利用new关键字将数据开辟到堆区
	return a;//只针的本质是局部变量,放在栈上,指针保存的数据是放在堆区的
}

int main() {

	int *p = func();

	cout << *p << endl;
	cout << *p << endl;
    
	system("pause");

	return 0;
}

注意点

int(10)是编译器在栈区暂时虚拟出的一块空间,上图代码int* a表示并给这块内存起名为a,类比与4.2.2构造函数中的匿名对象:Person(10)单独写就是匿名对象(等同于int(10)存于栈上,加上new关键字就存在与堆区了。),特点:当前行结束之后,马上析构,即系统立即回收掉匿名对象。

构造函数相关代码对比:

//1、构造函数分类
// 按照参数分类分为 有参和无参构造   无参又称为默认构造函数
// 按照类型分类分为 普通构造和拷贝构造

class Person {
public:
	//无参(默认)构造函数
	Person() {
		cout << "无参构造函数!" << endl;
	}
	//有参构造函数
	Person(int a) {
		age = a;
		cout << "有参构造函数!" << endl;
	}
	//拷贝构造函数
	Person(const Person& p) {
		age = p.age;
		cout << "拷贝构造函数!" << endl;
	}
	//析构函数
	~Person() {
		cout << "析构函数!" << endl;
	}
public:
	int age;
};

//2、构造函数的调用

void test01() {
    //2.1  括号法(常用)
	Person p1;//调用无参构造函数,默认构造函数的调用
    Person p2(10);//有参构造函数
    Person p3(p2);//拷贝构造函数
	//注意1:调用无参构造函数不能加括号,如果加了编译器认为这是一个函数声明
	//Person p2()

	//2.2 显式法
	Person p2 = Person(10); //相当于给匿名对象Person(10)起个名字叫p2
	Person p3 = Person(p2);
	//Person(10)单独写就是匿名对象(等同于int(10)存于栈上),特点:当前行结束之后,马上析构,即系统立即回收掉匿名对象。

	//2.3 隐式转换法(简化的显示法)
	Person p4 = 10; // Person p4 = Person(10); 
	Person p5 = p4; // Person p5 = Person(p4); 
    //注意2:不能利用 拷贝构造函数 初始化匿名对象 编译器认为是对象声明
	//Person (p5);等同于Person p5;

}

int main() {

	test01();

	system("pause");

	return 0;
}

易错点

new int(10)返回的是地址,需要用指针接收!

总结:

堆区数据由程序员管理开辟和释放

堆区数据利用new关键字进行开辟内存

new操作符

​ C++中利用==new==操作符在堆区开辟数据

​ 堆区开辟的数据,由程序员手动开辟,手动释放,释放利用操作符 ==delete==

​ 语法: new 数据类型

​ 利用new创建的数据,会返回该数据对应的类型的指针

示例1: 基本语法

int* func()
{
	int* a = new int(10);
	return a;
}

int main() {

	int *p = func();

	cout << *p << endl;
	cout << *p << endl;

	//利用delete释放堆区数据
	delete p;

	//cout << *p << endl; //报错,释放的空间不可访问

	system("pause");

	return 0;
}

示例2:开辟数组

//堆区开辟数组
int main() {

	int* arr = new int[10];

	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		arr[i] = i + 100;
	}

	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		cout << arr[i] << endl;
	}
	//释放数组 delete 后加 []
	delete[] arr;

	system("pause");

	return 0;
}

易错点

释放数组要加中括号,如果不加中括号可能只会释放一个数据!

导图

扩展

而C语言的内存模型分为5个区:栈区、堆区、静态区、常量区、代码区。每个区存储的内容如下:

1、栈区:存放函数的参数值、局部变量等,由编译器自动分配和释放,通常在函数执行完后就释放了,其操作方式类似于数据结构中的栈。栈内存分配运算内置于CPU的指令集,效率很高,但是分配的内存量有限,比如iOS中栈区的大小是2M。

2、堆区:就是通过new、malloc、realloc分配的内存块,编译器不会负责它们的释放工作,需要用程序区释放。分配方式类似于数据结构中的链表。“内存泄漏”通常说的就是堆区。

3、静态区:全局变量和静态变量的存储是放在一块的,初始化的全局变量和静态变量在一块区域,未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后,由系统释放。

4、常量区:常量存储在这里,不允许修改。

5、代码区:顾名思义,存放代码