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記憶體分割槽與生命週期

更新於 2023-10-05約 4 分鐘閱讀

本文由簡體中文內容確定性轉換，並受版本化術語表保護。

1.程式執行順序與變數生命週期

1.1.程式碼執行思路

從main函式開始，程式碼是一行一行執行的。（一個工程裡有且只有一個main函式）

1.2.生命週期

區域性變數：
1. 位置：在某個函式或塊的內部宣告的變數稱為區域性變數。
2. 作用域：它們只能被該函式或該程式碼塊內部的語句使用。區域性變數在函式外部是不可知的。

#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;
}

執行結果：

value of a = 10, b = 20 and c = 30

全域性變數
1. 位置：全域性變數是定義在函式外部，通常是在程式的頂部。
2. 作用域：全域性變數在整個程式生命週期內都是有效的，在任意的函式內部能訪問全域性變數。

#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;
}

執行結果：

value of a = 10, b = 20 and g = 30

在程式中，區域性變數和全域性變數的名稱可以相同，但是在函式內，如果兩個名字相同，會使用區域性變數值，全域性變數不會被使用。

#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);
}

執行結果： 編譯失敗：函式定義名是 tset，但 main 中呼叫了 test()；編譯器提示 test 未宣告。

1.3.記憶體四區

暫時無法在飛書文件外展示此內容

靜態儲存區（全域性區） ：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數被放在data區;沒有被初始化的或者值為零的變數被放在bss區，通常預設初始化為 0(表示數字的資料型別)，'\0'(char型別) 和 NULL(指標型別)。
棧區（stack） ：區域性變數被存放在該區，如果不初始化區域性變數，那麼區域性變數是隨機值。容量很小。
堆區（heap） ：由程式設計師開闢記憶體空間給變數，由程式設計師分配和釋放，如果程式設計師不進行釋放記憶體，則會記憶體洩漏，當程式結束後，系統會幫忙釋放沒有被釋放的記憶體。
程式碼區 ：存放 CPU 執行的機器指令，通常是隻讀的。

2.記憶體分割槽模型

C++程式在執行時，將記憶體大方向劃分為4個區域

程式碼區：存放函式體的二進位制程式碼，由作業系統進行管理的
全域性區：存放全域性變數和靜態變數以及常量
棧區：由編譯器自動分配釋放, 存放函式的引數值,區域性變數等
堆區：由程式設計師分配和釋放,若程式設計師不釋放,程式結束時由作業系統回收

記憶體四區意義：

不同區域存放的資料，賦予不同的生命週期, 給我們更大的靈活程式設計

2.1.程式執行前

在程式編譯後，生成了exe可執行程式，未執行該程式前分為兩個區域

程式碼區：

存放 CPU 執行的機器指令

程式碼區是共享的，共享的目的是對於頻繁被執行的程式，只需要在記憶體中有一份程式碼即可

程式碼區是只讀的，使其只讀的原因是防止程式意外地修改了它的指令

全域性區：

全域性變數和靜態變數存放在此.

全域性區還包含了常量區, 字串常量和其他常量也存放在此.

==該區域的資料在程式結束後由作業系統釋放==.

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;
}

執行結果：見下方列印結果圖；地址值每次執行可能不同，重點觀察區域性變數、全域性變數、靜態變數和常量所在區域的相對差異。

列印結果：

1545017602518

總結：

C++中在程式執行前分為全域性區和程式碼區
程式碼區特點是共享和只讀
全域性區中存放全域性變數、靜態變數、常量
常量區中存放 const修飾的全域性常量和字串常量

2.2.程式執行後

棧區：

由編譯器自動分配釋放, 存放函式的引數值,區域性變數等

注意事項：不要返回區域性變數的地址，棧區開闢的資料由編譯器自動釋放

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;
}

執行結果： 程式觸發未定義行為，本次執行收到 SIGSEGV 後異常終止，沒有可靠的正常輸出。

堆區：

由程式設計師分配釋放,若程式設計師不釋放,程式結束時由作業系統回收

在C++中主要利用new在堆區開闢記憶體

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;
}

執行結果：

10
10

總結：

堆區資料由程式設計師管理開闢和釋放

堆區資料利用new關鍵字進行開闢記憶體

2.3.new運算子

C++中利用==new==運算子在堆區開闢資料

堆區開闢的資料，由程式設計師手動開闢，手動釋放，釋放利用運算子 ==delete==

語法： new 数据类型

利用new建立的資料，會返回該資料對應的型別的指標

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;
}

執行結果：

10
10

示例2：開闢陣列

//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;
}

執行結果：