第 10 節

内存分区与生命周期

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程序运行顺序与变量生命周期

代码运行思路

从main函数开始，代码是一行一行运行的。（一个工程里有且只有一个main函数）

生命周期

  1. 局部变量：
    1. 位置：在某个函数或块的内部声明的变量称为局部变量。
    2. 作用域：它们只能被该函数或该代码块内部的语句使用。局部变量在函数外部是不可知的。
#include <stdio.h>

 int add(int a,int b);

int main ()
{
  /* 局部变量声明 */
  int a, b;
  int c;

  /* 实际初始化 */
  a = 10;
  b = 20;
  c = add(a,b);

  printf ("value of a = %d, b = %d and c = %d\n", a, b, c);

  return 0;
}

int add(int x,int y)
{
    int z = x + y;
    return z;
}

运行/观察结果： 运行后会按输出语句打印对应内容，变量值可结合初始化、赋值和函数调用顺序推导。

  1. 全局变量
    1. 位置：全局变量是定义在函数外部，通常是在程序的顶部。
    2. 作用域：全局变量在整个程序生命周期内都是有效的，在任意的函数内部能访问全局变量。
#include <stdio.h>

/* 全局变量声明 */
int g;

int main ()
{
  /* 局部变量声明 */
  int a;

  /* 静态(全局)变量声明 */
  static int b;

  /* 实际初始化 */
  a = 10;
  b = 20;
  g = a + b;

  printf ("value of a = %d, b = %d and g = %d\n", a, b, g);

  return 0;
}

运行/观察结果： 运行后会按输出语句打印对应内容，变量值可结合初始化、赋值和函数调用顺序推导。

在程序中，局部变量和全局变量的名称可以相同，但是在函数内，如果两个名字相同，会使用局部变量值，全局变量不会被使用。

#include <stdio.h>

 void tset();
/* 全局变量声明 */
int g = 20;

int main ()
{
  /* 局部变量声明 */
  int g = 10;

  printf ("value of g = %d\n",  g);

  test();

  return 0;
}

void test()
{
    printf("value of g = %d\n",g);
}

运行/观察结果： 运行后会按输出语句打印对应内容，变量值可结合初始化、赋值和函数调用顺序推导。

内存四区

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  1. 静态存储区（全局区） ：可以分为rodata区data区和bss区，已经初始化的只读常量被放在rodata,已经被初始化的非零变量被放在data区;没有被初始化的或者值为零的变量被放在bss区，通常默认初始化为 0(表示数字的数据类型)，'\0'(char类型) 和 NULL(指针类型)。
  2. 栈区（stack） ：局部变量被存放在该区，如果不初始化局部变量，那么局部变量是随机值。容量很小。
  3. 堆区（heap） ：由程序员开辟内存空间给变量，由程序员分配和释放，如果程序员不进行释放内存，则会内存泄漏，当程序结束后，系统会帮忙释放没有被释放的内存。
  4. 代码区 ：存放 CPU 执行的机器指令，通常是只读的。

内存分区模型

C++程序在执行时，将内存大方向划分为4个区域

  • 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：存放全局变量和静态变量以及常量
  • 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

​ 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：

​ 全局变量和静态变量存放在此.

​ 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：

//全局变量
int g_a = 10;
int g_b = 10;

//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;

    //打印地址
    cout << "局部变量a地址为： " << &a << endl;
    cout << "局部变量b地址为： " << &b << endl;

    cout << "全局变量g_a地址为： " <<  &g_a << endl;
    cout << "全局变量g_b地址为： " <<  &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： " << &s_a << endl;
    cout << "静态变量s_b地址为： " << &s_b << endl;

    cout << "字符串常量地址为： " << static_cast<const void*>("hello world") << endl;
    cout << "字符串常量地址为： " << static_cast<const void*>("hello world1") << endl;

    cout << "全局常量c_g_a地址为： " << &c_g_a << endl;
    cout << "全局常量c_g_b地址为： " << &c_g_b << endl;

    const int c_l_a = 10;
    const int c_l_b = 10;
    cout << "局部常量c_l_a地址为： " << &c_l_a << endl;
    cout << "局部常量c_l_b地址为： " << &c_l_b << endl;


    return 0;
}

运行结果：见下方打印结果图；地址值每次运行可能不同，重点观察局部变量、全局变量、静态变量和常量所在区域的相对差异。

打印结果：

1545017602518

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
  • 常量区中存放 const修饰的全局常量 和 字符串常量

程序运行后

​ 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

​ 注意事项：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

示例：

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

int main() {
    // 程序从 main 函数开始执行，下面的语句会按顺序运行。

    int *p = func();

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


    // 返回 0 表示程序正常结束。
    return 0;
}

运行/观察结果： 运行后会打印示例中的变量值或地址；地址值与运行环境有关，以同类对象的相对位置和指针变化为观察重点。

​ 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);
    return a;
}

int main() {
    // 程序从 main 函数开始执行，下面的语句会按顺序运行。

    int *p = func();

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

    // 返回 0 表示程序正常结束。
    return 0;
}

运行/观察结果： 运行后会按输出语句打印对应内容，变量值可结合初始化、赋值和函数调用顺序推导。

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


    return 0;
}

运行/观察结果： 运行后会按输出语句打印对应内容，变量值可结合初始化、赋值和函数调用顺序推导。

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;


    return 0;
}

运行/观察结果： 运行后会按输出语句打印对应内容，变量值可结合初始化、赋值和函数调用顺序推导。

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