第 10 節

內存分區與生命週期

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程序運行順序與變量生命週期

代碼運行思路

從main函數開始，代碼是一行一行運行的。（一個工程裏有且只有一個main函數）

生命週期

  1. 局部變量：
    1. 位置：在某個函數或塊的內部聲明的變量稱為局部變量。
    2. 作用域：它們只能被該函數或該代碼塊內部的語句使用。局部變量在函數外部是不可知的。
#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;
}

運行/觀察結果： 運行後會按輸出語句打印對應內容，變量值可結合初始化、賦值和函數調用順序推導。

  1. 全局變量
    1. 位置：全局變量是定義在函數外部，通常是在程序的頂部。
    2. 作用域：全局變量在整個程序生命週期內都是有效的，在任意的函數內部能訪問全局變量。
#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;
}

運行/觀察結果： 運行後會按輸出語句打印對應內容，變量值可結合初始化、賦值和函數調用順序推導。

在程序中，局部變量和全局變量的名稱可以相同，但是在函數內，如果兩個名字相同，會使用局部變量值，全局變量不會被使用。

#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);
}

運行/觀察結果： 運行後會按輸出語句打印對應內容，變量值可結合初始化、賦值和函數調用順序推導。

內存四區

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  1. 靜態存儲區（全局區） ：可以分為rodata區data區和bss區，已經初始化的只讀常量被放在rodata,已經被初始化的非零變量被放在data區;沒有被初始化的或者值為零的變量被放在bss區，通常默認初始化為 0(表示數字的數據類型)，'\0'(char類型) 和 NULL(指針類型)。
  2. 棧區（stack） ：局部變量被存放在該區，如果不初始化局部變量，那麼局部變量是隨機值。容量很小。
  3. 堆區（heap） ：由程序員開闢內存空間給變量，由程序員分配和釋放，如果程序員不進行釋放內存，則會內存泄漏，當程序結束後，系統會幫忙釋放沒有被釋放的內存。
  4. 代碼區 ：存放 CPU 執行的機器指令，通常是隻讀的。

內存分區模型

C++程序在執行時，將內存大方向劃分為4個區域

  • 代碼區：存放函數體的二進制代碼，由操作系統進行管理的
  • 全局區：存放全局變量和靜態變量以及常量
  • 棧區：由編譯器自動分配釋放, 存放函數的參數值,局部變量等
  • 堆區：由程序員分配和釋放,若程序員不釋放,程序結束時由操作系統回收

內存四區意義：

不同區域存放的數據，賦予不同的生命週期, 給我們更大的靈活編程

程序運行前

​ 在程序編譯後，生成了exe可執行程序，未執行該程序前分為兩個區域

​ 代碼區：

​ 存放 CPU 執行的機器指令

​ 代碼區是共享的，共享的目的是對於頻繁被執行的程序，只需要在內存中有一份代碼即可

​ 代碼區是只讀的，使其只讀的原因是防止程序意外地修改了它的指令

​ 全局區：

​ 全局變量和靜態變量存放在此.

​ 全局區還包含了常量區, 字符串常量和其他常量也存放在此.

​ ==該區域的數據在程序結束後由操作系統釋放==.

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;
}

運行結果：見下方打印結果圖；地址值每次運行可能不同，重點觀察局部變量、全局變量、靜態變量和常量所在區域的相對差異。

打印結果：

1545017602518

總結：

  • C++中在程序運行前分為全局區和代碼區
  • 代碼區特點是共享和只讀
  • 全局區中存放全局變量、靜態變量、常量
  • 常量區中存放 const修飾的全局常量 和 字符串常量

程序運行後

​ 棧區：

​ 由編譯器自動分配釋放, 存放函數的參數值,局部變量等

​ 注意事項：不要返回局部變量的地址，棧區開闢的數據由編譯器自動釋放

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;
}

運行/觀察結果： 運行後會打印示例中的變量值或地址；地址值與運行環境有關，以同類對象的相對位置和指針變化為觀察重點。

​ 堆區：

​ 由程序員分配釋放,若程序員不釋放,程序結束時由操作系統回收

​ 在C++中主要利用new在堆區開闢內存

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;
}

運行/觀察結果： 運行後會按輸出語句打印對應內容，變量值可結合初始化、賦值和函數調用順序推導。

總結：

堆區數據由程序員管理開闢和釋放

堆區數據利用new關鍵字進行開闢內存

new操作符

​ C++中利用==new==操作符在堆區開闢數據

​ 堆區開闢的數據，由程序員手動開闢，手動釋放，釋放利用操作符 ==delete==

​ 語法： new 数据类型

​ 利用new創建的數據，會返回該數據對應的類型的指針

示例1： 基本語法

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;
}

運行/觀察結果： 運行後會按輸出語句打印對應內容，變量值可結合初始化、賦值和函數調用順序推導。

示例2：開闢數組

//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;
}

運行/觀察結果： 運行後會按輸出語句打印對應內容，變量值可結合初始化、賦值和函數調用順序推導。

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