EasyC++18，C++内存模型初探

作者 | 梁唐

大家好，我是梁唐。

这是EasyC++系列的第18篇，简单聊聊C++当中的内存模型。

C++内存模型简介

动态创建结构体

我们之前介绍了使用new运算符来动态创建数组的相关用法，new操作符除了可以动态创建数组之外，也可以用来动态创建结构体、类对象。同样和通过声明的方式不同，动态创建的方式创建的内存在堆内存当中，更加的灵活。

假设我们定义了这么一个结构体：

struct P {
 int x, y;
};

我们可以如下创建一个它的对象：

P *p = new P;

但创建了之后有一个问题，我们怎么样访问结构体当中的成员变量呢？我们知道如果是通过声明的方法创建的对象，我们可以通过.运算符来访问：

P p;
p.x = 3;

对于指针，我们有一个全新的运算符写成->，也就是箭头符号。我们可以通过箭头符号来访问一个指针指向的结构体当中的元素：

P *p = new P;
p->x = 3;

当然我们也可以对指针进行解引用，这样得到的就是一个结构体实例，我们可以直接用.来访问。不过这样没什么必要，尤其是新手搞不好会被搞晕。所以如果是萌新，就记住指针用箭头符号，非指针用.即可。

P *p = new P;
// p解引用就得到了实例，可以使用.
(*p).x = 3;

内存分配原理

C++当中的内存分配主要分为三种方式，分别是自动存储、静态存储和动态存储，C++11当中新增了线程存储，我们将在之后讨论。

自动存储

自动存储可以理解成局部变量，指的是在函数内部定义的常规变量，也被称为自动变量。它们会在函数调用的时候自动创建，在函数结束的时候消亡。

void test() {
    int x;
    return ;
}

比如我们在test函数当中创建了一个int型的变量x，当函数调用结束时，这个变量内存会被释放。

自动变量的作用范围为包含它的代码块，也就是花括号所包括的那一段代码，其实并不止包含函数，循环、分支语句等也包含在内。

自动变量通常存储在栈当中，当我们执行代码的时候，其中的变量依次加入到栈中。而在代码块执行完成离开的时候，按照相反的顺序依次释放。如果大家学过操作系统的话，会了解这种内存模型称为后进先出（LIFO）。

静态存储

静态存储指的是在整个程序执行期间都存在的存储方式。使变量称为静态的方式有两种，一种是定义在函数之外，成为全局变量。另外一种是在声明变量的时候使用关键字static。

static int a = 30;

简单理解来说，static关键字修饰的变量只会初始化一次，即使函数反复调用。有的时候我们希望函数多次调用的时候某些中间结果可以被保存，一般来说想要实现这样的功能需要定义全局变量。然而全局变量的控制域就不再是函数本身，如果我们希望变量的作用域依然限制在函数本身，就可以使用static关键字。

来看一个简单的例子：

void fn() {
    static int n = 10;
    cout << n << endl;
    n++;
}


int main() {
    fn();
    fn();
    fn();
}

我们定义了一个函数fn，在fn当中我们定义了一个静态变量n，然后每次都执行了n++的操作。如果把n理解成函数内部的动态变量，那么我们每次调用fn得到的结果都应该是10，因为每次调用都会初始化。由于我们加上了static关键字，尽管我们在main函数当中调用了三次，但只会初始化一次。所以最终得到的结果是：

动态存储

动态存储就是使用new创建的变量，C++当中为此管理了一个内存池，叫做自由存储空间（free store）或（堆）。堆内存和前面说的自动存储和静态存储是分开的，使用new和delete函数，可以使我们可以在一个函数当中分配内存，并且在另外一个函数当中释放它。因此数据的生命周期不完全收到程序或者函数的限制。

另外有一点要说明的是，在栈中，由于自动添加和自动删除机制。所以其中的内存是连续的，而在堆当中则不然，new和delete的使用会导致内存分片不连续，可能会导致在分配新内存的时候更加困难，尤其是当我们申请的内存比较大时。