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初识C/C++内存结构

时间：2024-12-20 16:59:00浏览次数：9  
标签：存储 常量 代码 程序 C++ 初识 内存 数据

希望本文有助于学习C++的同学们理解C++的内存结构
路漫漫，道阻且长。

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一、C++的内存结构是什么？

C/C++不同于其他的语言的其中一个地方就是，其可以直接操纵内存来提成效率。以下是C/C++的内存结构。
在这里插入图片描述
如上图我们可以了解到，C/C++的内存结构分为5个区，接下来让我们来详细的来了解一下这些区域的具体信息以及作用。

二、代码区

作用：存储程序的机器码指令，包括执行代码和只读数据。
使用：程序在启动时被加载到内存中，指令和制度数据在代码区执行。
在C++程序中，代码区是存储程序执行代码的一部分内存区域；它通常被划分为两个主要部分：代码段和只读数据段。

代码区通常指的是程序在内存中的一部分，而不是存储在硬盘上的代码。在计算机程序执行时，代码从硬盘加载到内存中，其中的一部分就被分配到代码区，代码区包括代码段和只读数据段，用于存储程序的可执行指令和只读的常量数据。

  • 代码段(Text Segment)
  • 结构：代码段存储程序的可执行指令，即机器码。这是程序中实际执行的代码部分。
  • 使用场景：包括程序的函数、方法、控制流等。这部分内存是只读的，程序在运行时不能修改代码段中的内容。

如下代码示例：

#include <iostream>
using namespace  std;
int main()
{
    cout<<"Hello World!"<<endl;
    return 0;
}

以上例子中的主函数的机器码将会存储在代码段中。

只读数据段(Read-Only Data Segment)

  • 结构：只读数据段存储常量数据，例如字符串常量，以及全局变量、静态变量的初始化值。

  • 使用场景：用于存储不可修改的数据，字符串字面量是一个常见的只读数据段的例子。

  • 示例：在上述例子中，字符串常量"Hello World！"将存储在只读数据段中。

下图为简化的结构示意图：
在这里插入图片描述

  • 注意事项：

  • 代码段和只读数据段通常在程序加载时由操作系统加载到内存中，一旦加载就不能被修改。

  • 在函数调用时，函数的机器码也存储在代码段中，每个函数都有其独特的代码段地址。

  • 字符串常量等只读数据段中的数据段是不可修改的，任何试图修改这些数据的尝试都将会导致运行时错误。
    一般情况下，‘只读’和‘共享’(可复用)是代码区的两个重要特点。
    在这里插入图片描述

  • 只读
    代码区的代码段和只读数据段通常是只读的。这就意味着在程序运行时，这些部分的内容是不能被修改的，这有助于确保程序执行期间的数据的一致性和安全性。
    例如，程序的机器码、字符串常量等数据是放在只读部分的，防止程序在运行时意外的修改这些数据。

  • 共享(可复用)
    代码区的内容通常是可共享的，尤其是对于相同的程序的多个实例或同时运行的多个程序来说。多个程序实例可以共享相同的机器码，这有助于节省内存，
    共享的代码段通常位于所有程序的相同虚拟地址，但实际的物理内存可能被多个进程共享。

这些特点使得代码区能够更有效的支持多个程序的并发执行，并在运行时提供一定程度的保护，确保代码和制度数据的完整性。在共享库(shared libraries)的概念中，这种可复用性得到了更进一步的利用，允许多个程序共享同一个库的代码段，减少了内存占用。

二、常量存储区

常量存储区通常是指存储程序中的常量数据的一块内存区域。在C++中，常量数据包括字符串常量、全局常量、const修饰的全局/局部变量等，它们的值在程序执行期间不可被修改。这些常量数据通常存储在只读数据段(Read-Only Segment)中。

  • 作用：存储不可修改的常量数据，如字符串常量、全局常量、const修饰的变量等。
  • 使用：常量数据在程序加载时被分配到内存中，通常以只读的方式存储。存储不可变的常量数据，如字符串常量、常量变量等。
  • 结构：常量存储区是程序内存布局的一部分，主要包含只读数据，这些数据在程序执行期间不可被修改。常量数据的存储方式取决于其他类型和声明位置，可能包括字符串常量、全局变量、以及使用const修饰的全局/局部变量。
    -代码示例
#include <iostream>
using namespace  std;
// 全局变量
const int global=10;
int main()
{
    // 字符串常量
    const char *p="hello";

    //局部常量
    const double PI=3.14;

    //使用常量
    cout<<global<<endl;
    cout<<PI<<endl;
    cout<<p<<endl;
    
    return 0;
}

在这个例子中，global是一个全局变量，p是一个指向字符串常量的指针，PI是一个double类型的局部常量，这些常量数据在程序执行期间被存储在常量存储区。

注意： 常量存储区的数据是只读的，试图修改这些数据会导致运行时错误。字符串常量通常以null结尾(null-terminated)，而全局常量和const修饰的变量的值在编译时就被确定。

三、全局/静态存储区

全局/静态存储区是程序中用于存储全局变量和静态变量的内存区域。这些变量在程序的整个生命周期内都存在，并且内存分配发生在程序启动前，直到程序结束。全局/静态存储区报错两个主要部分：全局变量区和静态变量区。

  • 作用：存储全局变量和静态变量，其生命周期贯穿整个程序执行过程。
  • 使用：全局变量在程序启动时被分配到内存，静态变量在声明时分配内存，它们的数据在整个程序 执行期间可读可写。
  • 全局变量区代码示例
#include <iostream>
using namespace  std;

// 全局变量,存储在全局变量区
int global=10;

void func1()
{
    //可以访问全局变量global
    global++;
}
void func2()
{
    //也可以访问全局变量global
    global--;
}
int main()
{
    //程序入口
    func1();
    func2();
    cout<<global<<endl;
    return 0;
}
  • 静态变量区
    静态变量区用于存储静态变量，即在函数内部声明但是用static关键字修饰的变量，与全局变量一样，静态变量的内存分配发生在程序启动时。适用于函数调用之间保持持久性数据的需求。
  • 静态变量区代码示例
void func3()
{
    //静态局部变量，存储在静态变量区
    static int local=20;
    //对静态变量的操作将在函数调用之间保持
    local--;
}
int main()
{
    func3();//静态变量local被初始化为20；
    func3();//静态变量local被减1；
    
    return 0;
}

注意：
全局/静态存储区的数据在程序启动时分配，在程序结束时释放。
全局变量区的数据可以被整个程序访问，而静态变量区的数据尽在声明它的函数内可见。
在多线程环境中，全局变量和静态变量可能需要额外的同步机制，以确保多个线程对它们的安全访问。

四、栈(Stack)区

栈(Stack)是一种内存分配和管理的数据结构，它遵循后进先出(Last In First Out，即LIFO)的原则。栈内存主要用于存储局部变量，函数调用信息以及一些临时数据，是程序执行时自动管理的一块内存区域与。

  • 作用：用于存储函数调用信息、局部变量、临时数据等。遵循后进先出原则(LIFO)。

  • 使用：每个函数调用都会创建一个栈帧，包含局部变量和函数的调用信息，栈帧在函数返回时被销毁。

  • 结构：栈是一种线性数据结构，可以想象成一个具有两个主要操作的容器：压栈(Push)和出栈(Pop)。数据项按照后进后出的次序进出栈。

  • 使用场景：存储函数的局部变量，每次函数调用时，其局部变量被分配到栈上，函数返回时这些变量就会被自动释放。
    存储函数的调用信息，每次函数调用时，函数的返回地址和一些其他信息被压入栈中，函数返回时再从栈中弹出这些信息。
    临时数据的存储，栈也用于一些函数调用过程中的临时数据存储。

  • 栈帧
    在函数调用时，一个栈帧(Stack Frame)被压入栈中。栈帧包含了函数的局部变量、返回地址和其他调用相关的信息。
    当函数返回时，栈帧被弹出，函数的局部变量被销毁、控制流回到调用函数的位置。

  • 代码示例

#include <iostream>
using namespace  std;

int add(int a,int b)
{
    //栈帧开始，局部变量a和b被分配到栈上
    int result=a+b;

    //栈帧结束，局部变量result、a和b被释放销毁
    return result;
}
int main()
{
    //栈帧开始，局部变量x和y被分配到栈上
    int x=10,y=20;
    int sum= add(x,y);//函数调用，新的栈帧被压入栈中
    //栈帧结束，局部变量x、y和sum被释放销毁
    cout<<sum<<endl;
    return 0;
}

在这个例子中，main函数和add函数的栈帧依次被创建和销毁，add函数的局部变量和临时变量都存储在栈上，随着函数的返回，这些变量也被销毁，函数调用过程中的栈帧操作清晰地展示了栈的特性。

注意：
栈的管理通常由编译器负责。编译器根据程序的结构和函数调用关系来分配和管理栈空间。在编译阶段，编译器会生成一些代码来处理栈的操作，包括栈帧的创建和销毁，局部变量的分配和释放，以及函数调用时相关的操作。
编译器在编译源代码时会：
1.分析函数调用关系：编译器需要了解程序中函数的调用关系，以便正确生成栈帧和处理函数调用时的参数传递和返回值。
2.分配栈空间：对于每个函数，编译器需要决定分配多少空间用于栈帧，以容纳局部变量、函数参数、返回地址等。
3.生成栈操作指令：编译器会生成相应的汇编或机器码指令，用于执行栈的压栈和出栈操作，以及处理函数调用时的栈操作。
虽然编译器负责生成大部分与栈相关的代码，但在一些特殊情况下，程序员也可以通过手动操作栈指针来进行底层的栈管理。在汇编语言等低级语言中，程序员有更多的控制权，可以直接操作栈。在高级语言中，这种底层的栈操作通常由编译器自动处理。

栈 Stack:时那些编译器在需要时分配，在不需要时自动清除的存储区。存放局部变量、函数参数。存放在栈中的数据只在档期那函数及下一层函数中有效，一旦函数返回了，这些数据也就自动释放了。

五、堆区

堆时程序运行时用于动态分配内存的一种内存区域，也称为自由存储区。堆上的内存可以在运行时动态地分配和释放，由程序员负责管理。与栈不同，堆上的内存分配和释放不受程序的执行顺序限制。

  • 作用：用于动态分布内存，存储在堆上的数据的生命周期由程序员自己管理。
  • 使用：通过C++的new操作符或C语言的malloc等操作在堆上分配内存，程序员负责在合适的时间使用delete或free操作符释放内存，堆上的数据可以在程序的不同部分共享。
  • 结构：堆时由操作系统分配的一块较大的内存区域，程序运行时可以在堆上动态地分配内存。堆上的内存分配和释放是由程序员手动控制的。
  • 代码示例：
    分配内存
    //在堆上分配整数数组
    int *arr=new int[10];

释放内存

    //释放堆上数组
    delete [] arr;

完整示例：

int main()
{
    //在堆上分配整数数组
    int *arr=new int;
    *arr=42;

    //在堆上分配一个字符串
    char *str=new char[10];
    strcpy(str,"Hello");

    //使用分配的内存
    cout<<*arr<<endl;
    cout<<str<<endl;

    //释放堆上的内存
    delete arr;
    delete [] str;

    return 0;
}

在这个例子中，通过new操作符在堆上分配了一个整数和一个字符串，并使用delete操作符释放了这些内存，这样的动态内存管理允许程序在运行时动态地创建和销毁对象，增加了灵活性，但需要注意，堆上的内存分配和释放需要程序员小心管理，以避免内存泄漏或悬挂指针等问题。在现代C++中，推荐使用智能指针等资源管理工具来减少手动内存管理的复杂性。

堆Heap：由new分配的内存块，其释放编译器不去管，由程序员自己控制，如果程序员没有释放掉，在程序结束时，系统会自动回收。涉及的问题：“缓冲区溢出”、“内存泄漏”等问题。

六、各个内存区域之间的联系

  1. List item代码区与其他区域
    代码区的指令和只读数据在程序加载时分配，是程序的初始状态，其他区域的数据可以被代码区读取。
  2. 常量存储区和代码区
    常量存储区中存储的数据可以在程序启动时被代码区读取。
  3. 全局/静态存储区与其他区域
    全局变量和静态变量的数据可以在程序的任何地方访问，包括代码区、堆和栈。
  4. 堆区和栈区
    栈主要存储局部变量和函数的调用信息，而堆用于动态分配内存。栈上的指针变量可以存储堆上数据的地址，实现在栈上引用堆上的数据。

这些内存区域协同工作，形成程序的内存布局。栈和堆的管理由程序员自己管理，而代码区、常量存储区、全局/静态存储区由编译器和操作系统管理。在程序执行期间，这些区域协同工作以支持程序的运行、数据存储和动态分配内存。

总结

当你在代码编辑器(Visual Studio 、Clion等)中写下一段代码，按道理讲，你并不需要太在意，你的代码变量被分配到哪个内存区域，也就是说这对程序员来说，基本就是透明的，你可以在一，也可以不在意。但是，作为一个专业的C++使用者来说，你应该对自己所写的代码由比较清晰的把握，清楚自己所写的代码中的变量存在什么区域中，者会有非常大的好处，这不但能够让你写出高性能的代码，还有助于你减少一些比较深层次的BUG。

  • 使用C++时的一些注意事项：
    1.内存泄漏：确保在动态分配内存后及时释放，避免出现内存泄漏问题。
    2.野指针：注意在指针使用时将其置为nullptr，避免野指针的产生，避免访问已经释放的内存。
    3.栈溢出：谨慎使用递归或者分配大量的局部变量，以避免栈溢出。
    4.悬挂指针：避免悬挂指针问题，即指向已经释放了的内存区域。
    5.智能指针：考虑使用C++的智能指针，如std::unique_ptr和std::shared_ptr，以提高内存管理的安全性和便利性。
    6.局部变量生命周期：理解局部变量的生命周期，确保在离开其作用域前不再访问。

标签：存储,常量,代码,程序,C++,初识,内存,数据
From： https://blog.csdn.net/hujiahangdewa/article/details/144609232

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