C++内存分区模型（代码区、全局区、栈区、堆区、new & delete）

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1 内存分区模型

内存分区的意义：不同区域存放的数据具有不同的生命周期，增加编程的灵活性。

C++内存分区模型包含4个区：
（1）代码区：存储函数体的二进制代码及CPU执行的机器指令；由操作系统进行管理。
（2）全局区：存储全局变量、静态变量和常量（全局常量、字符串常量）；在程序结束后，由操作系统管理并释放。
（3）栈区：存储函数参数值（形参值）、函数返回值、局部变量和局部常量等；由编译器自动分配和释放。
（4）堆区：由程序员自行分配和释放；若未主动释放，会导致内存泄露，在程序结束后，由操作系统管理并释放。

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2 程序运行前：代码区 & 全局区

程序编译生成可执行程序（.exe文件），可执行程序在未执行前即存在代码区和全局区等2个区域。

2.1 代码区

​（1）代码区存储CPU执行的机器指令；
（2）代码区是共享的：对于频繁被执行的程序，内存中只需存储一份代码，避免造成内存资源浪费；
（3）代码区是只读的：防止程序意外地修改已存储的指令。

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2.2 全局区

全局区存储全局变量、静态变量（static修饰的变量）、字符串常量和全局常量（const修饰的全局变量）。全局区的数据在程序结束后，由操作系统管理并释放。
（1）data区：主要存储已初始化的全局变量、静态变量和常量。
（2）bss区：主要存储未初始化的全局变量和静态变量。
（3）常量区：存储字符串常量和全局常量（const修饰的全局变量）等常量；全局区中的较小区域。

注：bss区中未初始化的数据，在程序执行前自动被系统初始化为0或NULL。

示例：

#include <iostream>
using namespace std;

/* 全局变量 */
int g_var = 1;

/* 全局常量：const修饰的全局变量 */
const int c_g_var = 5;

int main() {
	/* 局部变量 */
	int l_var = 2;

	/* 静态变量：static修饰的变量 */
	static int s_var = 3;

	/* 常量 */
	//字符串常量："hello"
	
	/* 其他常量：const修饰的变量 */
	//const修饰的局部变量：局部常量
	const int c_l_var = 4;

	cout << "全局变量g_var：" << &g_var << endl;				//0066C000	全局区
	cout << "静态变量s_var：" << &s_var << endl;				//0066C004	全局区
	cout << "常量-字符串常量：" << &"hello" << endl;			//00669B74	全局区
	cout << "常量-全局常量c_g_var：" << &c_g_var << endl;	//00669B30	全局区

	cout << "局部变量l_var ：" << &l_var << endl;			//00EFFB34	非全局区
	cout << "局部常量c_l_var：" << &c_l_var << endl;			//00EFFB28	非全局区

	return 0;
}

小结：

C++在程序运行前分为全局区和代码区；
全局区存储：全局变量、静态变量（static修饰的变量）、常量（①字符串常量；②全局常量，即const修饰的全局变量）。
注：局部变量和局部常量（const修饰的局部变量）在栈区。

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3 程序运行后：栈区 & 堆区

3.1 栈区

栈区数据由编译器自动分配和释放，存储函数参数值（形参值）、函数返回值、局部变量和局部常量等。

注：栈区的数据在执行完毕后由编译器自动释放，不能返回局部变量的地址（即不能使用指针访问和操作该内存）。但编译器会保留一次局部变量的地址（可临时访问一次），随后该内存被释放，无法再次访问。

示例：

#include <iostream>
using namespace std;

int* func(int param) {	//函数形参值-栈区
	param = 10;

	int a = 5;			//局部变量-栈区
	/* 不要返回局部变量的地址 */
	return &a;
}

int main() {
	int* p = func(0);

	//编译器会保留一次局部变量的地址（可临时访问一次），随后该内存被释放，无法再次访问
	cout << *p << endl;		//5		
	cout << *p << endl;		//12062780（乱码）	//内存已被释放

	return 0;
}

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3.2 堆区

堆区数据由程序员自行分配和释放。若未主动释放，当整个程序全部结束时由操作系统回收。

注1：堆区主要用于动态内存分配，在内存中介于全局区的bss区和栈区之间。
注2：C++中，使用关键字new在堆区开辟内存空间。
注3：堆区数据在内存未释放前可使用指针多次访问和操作该内存，直至主动释放内存或程序执行完毕后由操作系统释放内存。

示例：

#include <iostream>
using namespace std;

//使用关键字new在堆区开辟内存空间
int* func() {
	int* p = new int(5);
	return p;
}

int main() {
	int* p = func();

	//堆区数据在内存未释放前可使用指针多次访问或操作，直至主动释放内存或程序执行完毕后由操作系统释放内存
	cout << *p << endl;		//5
	cout << *p << endl;		//5

	*p = 10;
	cout << *p << endl;		//10
	cout << *p << endl;		//10

	return 0;
}

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4 new操作符 & delete操作符

C++中，使用new操作符开辟堆区数据，delete操作符释放堆区内存。

注：堆区内存空间由程序员自行分配和释放。若未主动释放，当整个程序全部结束时由操作系统回收。

4.1 堆区变量

​开辟内存：数据类型 *指针名 = new 数据类型(初始值);
​释放内存：delete 指针名;

注1：使用new操作符创建堆区变量，返回堆区内存的地址，可使用相同数据类型的栈区指针变量接收。
注2：释放内存后，再次访问该内存空间为非法操作，编译器报错：读取访问权限冲突；使用未初始化的内存。

示例1： 堆区变量的创建与释放

#include <iostream>
using namespace std;

//使用关键字new在堆区开辟内存空间
int* func_var() {
	int* p = new int(5);	//开辟堆区内存
	return p;
}

int main() {
	int* p = func_var();
	cout << *p << endl;		//5

	/* 无法访问已释放的内存 */
	delete p;				//释放内存
	//cout << *p << endl;	//异常：读取访问权限冲突。使用未初始化的内存"p"

	return 0;
}

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4.2 堆区数组

​开辟内存：数据类型 *指针名 = new 数据类型[数组长度];
​释放内存：delete[] 指针名;

注：使用new操作符创建堆区数组，返回堆区内存的首地址，可使用相同数据类型的栈区指针变量接收。

示例2：堆区数组的创建与释放

//堆区开辟数组
#include <iostream>
using namespace std;

//使用关键字new在堆区开辟数组
int* func_arr() {
	int* pArr = new int[5];	//开辟堆区数组
	return pArr;
}

int main() {
	int* arr = func_arr();
	
	//为数组元素赋值
	for (int i = 0; i < 5; i++) {
		arr[i] = i;		//使用索引操作数组元素
	}

	//遍历数组元素
	for (int i = 0; i < 5; i++) {
		cout << arr[i] << endl;		//使用索引访问数组元素
	}

	/* 无法访问已释放的内存 */
	delete[] arr;			//释放内存
	//cout << *arr << endl;	//异常：读取访问权限冲突。

	return 0;
}