C++内存分区模型分析与实例以及扩展
原创C++内存分区模型分析与实例以及扩展
原创
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
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！
扩展
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
C++中的new/delete、构造/析构函数、dynamic_cast分析
1，new 关键字和 malloc 函数区别（自己、功能、应用）：
1，new 关键字是 C++ 的一部分：
1，如果是 C++ 编译器，则肯定可以用 new 申请堆空间内存；
2，malloc 是由 C 库提供的函数：
1，如果没有相应的库，malloc 将不能使用；
2，有些特殊的嵌入式开发中，少了 C 库，则就不能动态内存分配；
3，new 以具体类型为单位进行内存分配；
1，面向对象中一般用 new，不用 malloc；
4，malloc 以字节为单位进行内存分配；
5，new 在申请内存空间时可进行初始化；
1，触发构造函数调用；
6，malloc 仅根据需要申请定量的内存空间；
1，对象的创建只能用 new，malloc 不适合面向对象开发；
2，下面代码输出什么？为什么？见 new 和 malloc 的区别编程实验：
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdlib>
using namespace std;
class Test
{
int* mp; //为了说明 free() 可能造成内存泄漏问题而添加的成员变量；
public:
Test()
{
cout << "Test::Test()" << endl;
mp = new int(100); // 申请 4 个字节堆空间并初始化为 100；
cout << *mp << endl;
}
~Test()
{
delete mp; // 析构函数归还堆空间；但是如果仅仅用 free() 函数归还堆空间，这里析构函数没有调用，则对象没有摧毁，那么就造成了堆空间泄漏，这在大型项目开发中是不可原谅的；
cout << "~Test::Test()" << endl;
}
};
int main()
{
Test* pn = new Test; // 第一步申请堆空间，第二步（申请成功后）在堆空间上调用构造函数、因为需要初始化；
Test* pm = (Test*)malloc(sizeof(Test)); // 这行代码运行完后，pm 并没有指向合法的对象，它仅仅指向一片内存空间而已，这个时候这片内存空间不能够成为一片合法的对象，因为就没有对象；
delete pn; // 动态归还堆空间；第一步 delete 触发析构函数调用，摧毁对象，第二步归还堆空间；在归还堆空间的时候，要先摧毁掉对象，否则容易出现内存泄漏；
free(pm); // 动态规划堆空间；仅归还堆空间，不触发析构函数调用；这里不能用 delete pm，因为这样会对非法对象调用构造函数，而对于析构函数中的 delete mp 来说，这样的影响是深远的，不知道什么时候就会带来 bug，且不可调试，只能通过“代码走查”的方式来检查是不是混用了两种类型的申请释放堆空间函数；
return 0;
}1，结论：
1，free() 可以释放由 new 申请来的堆空间，但是 free() 不会进行析构函数的调用，因此有可能造成内存泄漏；
2，new 和 delete，malloc 和 free 只能匹配使用，不能混用；
3，new 和 malloc 的区别（自己、功能、应用）：
1，new 在所有 C++ 编译器中都被支持；
2，malloc 在某些系统开发中是不能调用的；
3，new 能够触发构造函数的调用；
4，malloc 仅分配需要的内存空间；
5，对象的创建只能使用 new；
6，malloc 不适合面向对象开发；
4，下面的代码输出什么？为什么？
1，代码示例：
int main()
{
Test* pn = new Test; // 调用构造函数；
test* pm = (Test*)malloc(sizeof(Test)); // 仅申请堆空间；
delete pn; // 调用析构函数；
free(pm); // 仅释放堆空间；
return 0;
}5，delete 和 free 的区别（自己、功能、应用）：
1，delete 在所有 C++ 编译器中都被支持;
2，free 在某些系统开发中是不能调用；
3，delete 能够触发析构函数的调用；
4，free 仅归还之前分配的内存空间；
5，对象的销毁只能使用 delete；
6，free 不适合面向对象开发。
6，构造函数是否可以成为虚函数？析构函数是否可以成为虚函数？
7，构造函数不可能成为虚函数：
1，在构造函数执行结束后，虚函数表指针才会被正确的初始化；
1，C++ 里面的多态是通过虚函数表和指向虚函数表指针完成的，虚函数表指针是由编译器创建的，同时也是由编译器进行初始化，在构造函数执行结束之后，虚函数表的指针才会被正确进行初始化；
2，在构造函数执行的过程当中，虚函数表的指针有可能是没有被正确初始化的，因为对于虚函数表和虚函数表指针的实现，对于不同的 C++ 编译器而言，实现有可能不一样，但是所有的 C++ 编译器都会保证在构造函数执行结束后，虚函数表指针肯定会被正确的初始化，在这之前，是没有保证的；
3，所以构造函数不可能成为虚函数，创建一个对象的时候，我们需要构造函数来初始化虚函数表的指针，因此构造函数相当于一个入口点，这个入口点负责虚函数调用的前期工作，这个入口点当然不可能是虚函数；
8，析构函数可以成为虚函数：
1，析构函数在对象销毁之前被调用，对象销毁之前意味着虚函数指针是正确的指向对应的虚函数表的；
2，建议在设计类时将析构函数声明为虚函数（工程中设计一个父类的析构函数为虚函数）；
1，赋值兼容性申请子类对象给父类指针时，当 delete 作用在指针上时，编译器会直接根据指针类型（此时是父类）来调用相应的析构函数，若父类加上 virtual，编译器可以根据指针指向的实际对象（此时是子类）决定如何调用析构函数（多态）；
9，构造、析构、虚函数编程实验：
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Base
{
public:
Base() // 若申请为析构函数，则编译器在此处显示：error:constructors cannot be declared virtual.
{
cout << "Base()" << endl;
}
virtual void func()
{
cout << "Base::func()" << endl;
}
virtual ~Base() // 申请为虚函数时，编译器无显示
{
cout << "~Base()" << endl;
}
};
class Derived : public Base
{
public:
Derived()
{
cout << "Derived()" << endl;
}
virtual void func()
{
cout << "Derived::func()" << endl;
}
~Derived()
{
cout << "~Derived()" << endl;
}
};
int main()
{
Base* p = new Derived();
// ...
delete p; // 期望调用完子类析构函数再调用父类的析构函数；但是如果父类没有申请为析构函数，则只调用父类析构函数；这是因为此时删除的是一个父类的指针，由于并没有将析构函数申请为 virtual，因此在这样情况下，编译器直接根据指针 p 的类型来决定调用哪一个构造函数，由于指针 p 的类型是父类的类型，所以编译器直接暴力认为调用父类构造函数就可以了；当将父类的虚函数声明为 virtual 时，编译器就不会简单的根据指针 p 的类型来简单调用父类的或者是子类的析构函数了，这个时候由于析构函数是虚函数，所以在执行这行代码的时候，编译器会根据指针 p 指向的实际对象来决定如何调用析构函数，这是多态；
return 0;
}1，工程中设计一个类作为父类出现时，我们都要将析构函数声明为虚函数，否 则就有可能产生内存泄漏，因为有可能跳过子类析构函数的调用，如果子类 析构函数中有释放资源的操作（动态内存空间），则后果不堪设想；
10，构造函数中是否可以发生多态？析构函数中是否可以发生多态？
11，构造函数中（构造函数中调用虚函数）不可能发生多态行为：
1，在构造函数执行时，虚函数表指针未被正确初始化；
12，析构函数中（析构函数中调用虚函数）不可能发生多态行为：
1，在析构函数执行时，虚函数表指针可能已经被摧毁；
13，析构函数和构造函数中（调用虚函数时）不能发生多态行为，只调用当前类中的函数版本；
1，构造函数和析构函数中调用虚函数实验：
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Base
{
public:
Base()
{
cout << "Base()" << endl;
func();
}
virtual void func()
{
cout << "Base::func()" << endl;
}
virtual ~Base()
{
func();
cout << "~Base()" << endl;
}
};
class Derived : public Base
{
public:
Derived()
{
cout << "Derived()" << endl;
func();
}
virtual void func()
{
cout << "Derived::func()" << endl;
}
~Derived()
{
func();
cout << "~Derived()" << endl;
}
};
int main()
{
Base* p = new Derived(); // 打印 Base()，Base::func()，Derived()，Derived::func()，
// ...
delete p; // 打印 Derived::func()，~Derived()，Base::func()， ~Base()；
return 0;
}14，继承中如何正确的使用强制类型转换？
1，dynamic_cast 是与继承相关的类型转换关键字；
2，dynamic_cast 要求相关的类中必须有虚函数；
3，用于有直接或者间接继承关系的指针（引用）之间；
1，指针：
1，转换成功：得到目标类型的指针；
2，转换失败：得到一个空指针；
2，引用：
1，转换成功：得到目标类型的引用；
2，转换失败：得到一个异常操作信息；
4，编译器会检查 dynamic_cast 的使用是否正确；
1，在 C++ 编译器中得到足够重视，是非常有地位的一个类型转换关键字；
2，使用不正确编译器会报错；
5，类型转换的结果只可能在运行阶段才能得到；
1，动态的类型转换，转换结果运行阶段才能得到；
15，dynamic_cast 的使用编程实验：
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Base
{
public:
Base()
{
cout << "Base::Base()" << endl;
}
virtual ~Base() // 工程经验；
{
cout << "Base::~Base()" << endl;
}
};
class Derived : public Base
{
};
int main()
{
/*
Base* p = new Derived;
Derived* pd = p; // 编译器显示：error:invalid conversion from 'Base*' to 'Derived*'；
// 未有虚函数时，用 dynamic_cast 转换，编译器显示：error: cannot dynamic_cast 'p' (of type 'class Base*') to type 'Derived*' (source type is not polymorphic（多态的）)
// 有虚函数且用了 dynamic_cast 也要判断 pd 不为空；
*/
Base* p = new Base;
Derived* pd = dynamic_cast<Derived*>(p); // 不合法，不能使用子类指针，指向父类对象；编译器编译阶不报错；但是运行时 pd = 0； 意味着此处强制类型转换不成功；
if( pd != NULL ) // 这样的判断很有必要；
{
cout << "pd = " << pd << endl;
}
else
{
cout << "Cast error!" << endl;
}
delete p;
return 0;
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如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。
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