C++之内存模型学习篇

由于刚刚学习C++不久，就按照书籍上的资料(C++ Primer Plus(第6版))自己整理加深下印象。C++内存要弄清楚3个概念，一是存储的持续性，也就是变量在程序中能够存在多长时间；二是变量的作用域，也就是从你声明变量开始，这个变量的使用范围由多广；三是变量的链接性，通常是指该变量是否可以在其它文件中被使用。

C++使用不同的方案来存储数据，这些方案的区别就在于数据保留在内存中的时间。

(1).自动存储持续性:在函数定义中声明的变量(包括函数参数)的存储持续性为自动的。它们在程序开始执行其所属的函数或代码块时被创建，在执行完函数或代码块时，它们使用的内存被释放。C++有两种存储执行性为自动的变量 。

(2).静态存储持续性:在函数定外定义的变量和使用关键字static定义的变量的存储持续性都为静态。它们在程序整个运行过程中都存在。C++有3种存储持续性为静态的变量。
(3).线程存储持续性(C++11):当前，多核处理器很常见，这些CPU可同时处理多个执行任务。这让程序可放在并行处理的不同线程中。如果变量是使用关键字thread_local声明的，则其生命周期与所属的线程一样长。

(4).动态存储持续性:用new运算符分配的内存将一直存在，直到使用delete运算符将其释放或者程序结束为止。这种内存的存储执行性为动态，有时被称为自由存储(free store)或堆(Heap)。

1.自动存储持续性

  (1)在默认情况下，在函数中声明的参数和变量的存储持续性为自动的，作用域为局部，没有链接性。

int main(){
      ...
	  int texas = 0;
      return 0;
  }
  void oil(){
      ...
	  int texas = 0;
  }

   main()中声明了一个变量texas，并且oil()中也声明了一个变量名为texas,则创建了两个独立的变量(只有在定义它们的函数中才能够使用它们)。对oil()中的texas执行任何操作都不回影响main()中的texas。另外当程序开始执行这些变量所属的代码块时，将为其分配内存，当函数结束时，这些变量都会消失。

   (2)自动变量和栈

    由于自动变量的数目随函数的开始和结束而增减，程序必须在运行时对自动变量进行管理。常用的方法就是留出一段内存，并将其视为栈，以管理变量的增减。之所以被称为栈，是由于新数据被象征性的放在原有数据的上面(也就是说，在相邻的内存单元中，而不是在同一内存单元中)，当程序使用完后，将其从栈中删除。栈的默认长度取决于实现，但编译器通常提供改变栈长度的选项。程序使用两个指针来跟踪栈，一个指针指向栈底(栈的开始位置)，另一个指向栈顶(下一个可用内存单元)。当函数被调用时，其自动变量将被加入到栈中，栈顶的指针指向变量后面的下一个可用的内存单元。函数结束时，栈顶指针被重置为函数调用前的值，从而释放新变量使用的内存。

   2.静态持续变量

   和C一样，C++也为静态存储持续性变量提供了3中链接性:外部链接性(可在其它文件中访问)，内部链接性(只能在当前文件中访问)和无链接性(只能在当前函数或代码块中访问)。这3中链接性都在程序整个执行期间存在，与自动变量相比，它们的寿命更长。由于静态变量的数目在程序运行期间是不变的，因此程序不需要使用特殊的装置(如栈)来管理他们，编译器将分配固定的内存块来存储所有的静态变量，这些变量在程序整个运行期间一直存在。另外，如果没有显示的初始化静态变量，编译器将它们设置为0。在默认情况下，静态数组和结构将每个元素或成员的所有位置设置成0。

...
int global =1000; //static duration,external linkage
static int one_file = 50; static duration,internal linkage
int main(){
    ...
	return 0;
}
void fun1(int n){
    static int count = 0; //static duration,no linkage
	int llama = 0;
}
void fun2(int n){
    ...
}

存储描述	持续性	作用域	链接性	如何声明
自动	自动	代码块	无	在代码块中
寄存器	自动	代码块	无	在代码块中，使用关键字register
静态，无链接性	静态	代码块	无	在代码块中，使用关键字static
静态，外部链接性	静态	文件	外部	不在任何函数内
静态，内部链接性	静态	文件	内部	不在任何函数内，使用关键字static

     链接性为外部的变量通常简称为外部变量，它们的持续性为静态，作用域为整个文件。外部变量是在函数定义外定义的，因此对所有函数而言都是外部的。在每个使用外部变量的文件中，都必须声明它，另一方面，C++"单定义规则"(One Definition Rule,ODR),该规则指出，变量只能够有一次定义。为了满足这种需求，C++提供了两种变量声明，一种是定义声明或简称为定义，它给变量分配存储空间；另一种是引用声明或简称声明，它不给变量分配存储空间，因为它引用已有的变量。引用声明使用关键字extern,且不进行初始化；否则声明为定义，分配存储空间。

double up; //definition because of initialization
extern int blem; //blem defined elsewhere
extern char gr = 'z'; //definition,because initialized

    如果要在多个文件中使用外部变量，只需要在一个文件中包含该变量的定义(单定义规则)，但在使用该变量的其它文件中，都必需使用关键字extern声明它。

     有些被称为存储说明符(storage class specifier)或者cv-限定符(cv-qualifier)的C++关键字提供了其它有关存储的信息。下面是存储说明符:

•   auto(c++11中不再是说明符)
•    register
•    static
•    extern
•    thread_local(c++11新增的)
•    mutable

     在同一个声明中不能使用多个说明符，但thread_local除外，它可与static或extern结合使用。C++11之前，可以在声明中使用关键字auto支出变量为自动变量，但在C++11中，auto用于自动类型推断。关键字register用于在声明中指示寄存器变量，而在C++11中，它指示显示地指出变量是自动的。关键字static被用在作用域为整个文件的声明时，表示内部链接性，被用于局部声明中时，表示局部变量的存储性为静态的。关键字extern表明是引用声明，即声明引用在其它地方定义的变量。关键字thread_local指出变量的持续性与其线程的持续性相同。

     (1)cv-限定符

     cv表示const和volatile。关键字volatile表明，即使程序没有对内存单元进行修改，其值也有可能发生变化。例如，可以将一个指针指向某个硬件位置，其中包含了来自串行端口的时间和信息。在这种情况下，硬件(不是程序)可能修改其中的内容，或者两个程序相互影响，共享数据。该关键字的作用是为了改善编译器的优化能力。例如，假设编译器发现，程序在几条语句中两次使用了某个变量的值，则编译器可能不是让程序查找这个值两次，而是将这个值缓存到寄存器中。这种优化假设两次使用值之间不会有变化。如果变量不声明为volatile，则编译器会进行这种优化，将变量设置voolatile，相当于告诉编译器，不要进行这种优化。

    (2)mutable

    用它来指出，即使结构(或类)变量为const,其某个成员也可以被修改。例如:

struct _data{
    char name[30];
	mutable int accesses;
};
typedef struct _data Data;
const Data veep ={"xie",0,...};
strcpy(veep.name,"Guan"); //not allowed
veep.accesses++;          //allowed

   (3)const

    在C++(但不在C语言)中，const限定符对默认存储类型稍微有影响。在默认情况下全局变量的链接性为外部的，但const全局变量的链接性为内部的。也就是说，在C++看来，全局const定义(如下代码所示)就像使用了static说明符一样:    

const int fingers =10; //same as static const int fingers=10;
int main(){
    ...
}

     如果程序员希望某个常量的链接性为外部的，则可以使用extern关键字来覆盖默认的内部链接性:

extern const int states = 50; //definition with external linkage

    在这种情况下，必须在所使用该常量的文件中使用extern关键字来声明它。

   (4)函数链接性

     函数的存储性为静态的。默认函数的链接性为外部，即可在文件中共享。实际上，可以在函数原型中使用关键字extern来指出函数是在另外一个文件中定义的，不过这是可选的。还可以使用关键字static将函数的链接设置为内部的，使之只能在一个文件中使用。必需在函数原型跟定义中使用该关键字:  

static int private(double x);
...
static int private(double x){
   ...
}

   (5)语言链接性

     语言链接性对函数有影响。在C语言中，一个名称只对一个函数对应，因此这很容易实现。为满足内部需求，C语言编译器可能将函数名翻译为_spiff。这种方法被称为C语言链接性。但在C++中，同一个名称可能对应多个函数，必需将这些函数翻译为不同的符号名称。因此C++编译器执行名称的矫正或名称修饰，为重载函数翻译为不同的符号名称。例如，可将spiff(int)转换为_spiff_i,而将spiff(double,double)转换为_spiff_d_d。这种被称为C++语言的链接性。

      链接程序寻找与C++函数调用匹配的函数时，使用的方法与C语言不同。但如果要在C++程序中使用C库中预编译的函数，将会出现什么情况呢 ？例如，假设有下面的代码:

spiff(22); //want spiff(int) from C library

      它在C库文件中的符号名称为_spiff，但对于我们假设的链接性程序来说，C++查找是按照符号名称_spiff_i。为解决这个问题，可以用函数原型来指出要使用的约定:

extern "C" void spiff(int); //use C protocol for name look-up
extern void spof(int); //use c++ protocol for name look-up
extern "C++" void spaff(int) //use c++ protocol for name look-up

     3.动态持续性

      C++运算符new(或C函数malloc())分配的内存，这种内存被称为动态内存分配。动态内存由运算符new和delete控制，而不是由作用域和链接性规则控制。因此，可以在一个函数中分配内存，在另一个函数中释放内存。与自动变量不同，动态内存不是LIFO，其分配和释放取决于new和delete在何时以何种方式使用。通常编译器使用3块内存:一块用于静态变量(可能再细分)，一块用于自动变量，另外一块用于动态存储。

      (1)使用new初始化

int *pi = new int(6);
double * pd = new double(99.99)

      这种括号的写法也可用于有合适构造函数的类。然而，要初始化常规结构和数组，需要使用大括号的列表初始化。这要求编译器支持C++11.

struct _where{
    double x;
	double y;
	double z;
}
typedef struct _where Where;
Where* one = new where{2.5,5.3,7.2}; //c++11
int * ar = new int[4]{2,4,6,7}; //c++11

      (2)new:运算符、函数和替换函数

      运算符new和new[]分别调用如下函数

void* operator new(std::size_t);  //used by new
void* operator new[](std::size_t); //used by new[]

      这些函数被称为分配函数(allocation function)，它们位于全局名称空间，同样，也有由delete和delete[]调用的释放函数(delallocation function):

void operator delete(void *);
void operator delete[](void *);

     std::size_t是一个typedef,对于合适的整型，比如下面的解释:

int* pi = new int;
将被转换为下面这样:
int* pi = new(sizeof(int));
而下面语句:
int * pa = new int[40];
将被转为下面这样:
int* pa = new (40*sizeof(int));

同样，下面语句:
delete pi;
将转换为函数调用
delete(pi);