C++ 编译与内存

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本章内容概述

本文意在记录笔者在学习C++面试相关知识时的笔记记录，提高C++面试水平，扩充C++知识面，对书中的知识点进行记录、自我分析与总结。

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一、编译与链接

1.编译

编译，是将源程序中的C语言，翻译为CPU可以理解的，机器可以执行的二进制指令，因此，编译的过程，本质上也就是翻译的过程，过程中涉及很多复杂的步骤。

编译器读取源文件.cpp，将其翻译为可执行文件ELF，经过操作系统加载即可执行。在整个编译器的操作过程中，可以分为四个步骤：

编译预处理，在预处理阶段，主要对源代码中的预处理指令进行处理，如加入头文件，去除注释，条件编译，宏替换，添加行号，保留编译器指令等。

编译，在编译阶段，针对预处理后的文件进行语法分析、语义分析，生成汇编代码，即将.cpp文件翻译为.s汇编文件。

汇编，在汇编阶段，编译器将.s汇编文件翻译为.o机器指令文件，需要注意，一个.cpp文件最终只会得到一个.o文件。

链接，在链接阶段，需要将汇编生成的多个.o目标文件链接成为一个整体，从而生成可执行的ELF文件。因为在一些情况下，一个.cpp文件生成的.o文件无法单独执行，可能调用了其他文件或库文件中的函数，因此需要链接处理。

2.链接

链接，分为两种：静态链接和动态链接。

2.1静态链接

静态链接是指在程序汇编阶段，就已经将程序需要的全部外部调用函数拷贝到可执行文件中，在程序被执行时，全部代码也会载入内存。

2.2动态链接

动态链接是指，在生成可执行文件时，将程序调用的部分程序放到动态链接库中，链接程序只记录共享对象部分信息，在程序执行过程中，如果需要调用，才会加载至内存。

可以直观感受到，静态链接对空间的需求会更大一些，因为它将全部调用到的外部函数都拷贝到了可执行文件当中，但是速度会更快一些，省去了加载动态库的时间；动态链接会节省空间，只有在需要时才会加载，但是也会导致速度变慢。

二、内存管理

1.ELF文件

可链接与可执行格式（Executable and Linkable Format），是用于可执行文件、目标代码、共享库和核心转储的标准文件格式，ELF文件构成如图：

可以看到，可执行程序内部是分段存储的。

.text section：代码段，存放已编译程序的代码，OS加载后此部分只读。

.rodata section：只读数据段，存放程序中会使用的常量，如字符串，不可修改。

.data section：数据段，存放初始化的全局变量、常量。

.bss section：bss段，存放未初始化全局变量，仅做占位符。

ELF被操作系统加载至内存时，会依次读取各段内容，同时分配空间，启动进程。

2.内存分区

C++使用内存分区通常包括：栈区、堆区、全局/静态存储区、常量区、代码区。

栈区：存放函数调用的局部变量、函数参数、返回地址等信息，由系统默认分配，在进程结束后，栈区空间才会被系统回收。

堆区：动态申请的内存空间，需要手动申请和释放，否则会在进程结束后由系统回收。

全局/静态存储区：主要为.bss和.data段，存放全局变量和静态变量，在C中，初始化的在.data段，未初始化的在.bss段，在C++中不再区分。

常量存储区：主要为.rodata段，存放常量，不允许修改，程序运行结束自动释放。

栈区：主要为.text段，存放代码，可执行但不可修改，存放编译后的二进制文件。

三、变量定义与生存周期

从作用域和生命周期两个维度，可以描述一个变量在实践和空间中的属性。

1.作用域

常见作用域可分为：全局作用域，局部作用域，语句作用域，类作用域，文件作用域，命名空间作用域。

在各种类型的变量中，全局变量具有全局作用域，配合extern关键字可作用于所有源文件；静态全局变量具有文件作用域，作用在定义变量的整个文件中，并且只有一份；不能作用于其他文件；局部变量具有局部作用域，只在函数运行期间存在，对外不可见；静态局部变量具有局部作用域，只被初始化一次，仅函数内部可访问。

2.生命周期

生命周期，即变量可使用的时间段。

全局变量，在整个程序运行期间一直存在，进程结束后被销毁，系统回收；局部变量只存在函数被调用期间，函数返回后，变量被销毁；静态局部变量，虽然只作用在函数内部，但在整个程序运行期间一直存在，与全局变量相同。

四、内存对齐

内存对齐，可以提高CPU访问内存的效率，各种类型数据都存放在机器字的整数倍的地址指向的内存中。否则，在不对齐的情况下，会是的CPU访问内存的次数增加，可以通过代码观察内存对齐现象：

class test
{
	int a;
	char c;
};

cout << sizeof(test) << endl; //8

虽然char型变量大小为1，int型变量大小4，但基于内存对齐的原则，最终test的大小为8。这样的处理方式一方面提高了CPU访问内存效率，一方面也使得程序可以在不支持随意访问内存的系统下运行。

五、大端与小端

字节顺序，又称端序或尾序，指多字节对象在内存中存储字节的排列方式，又从高到低和从低到高两种。

1.Little-Endian

将低序字节存储在起始地址，在变量指针转换或数据截断时，地址保持不变，对计算机更自然。

2.Big-Endian

将高序字节存储在起始地址，内存顺序和数字的书写顺序一致，更符合人的直观认识。网络字节规定统一采用大端。

六、内存泄漏检测与预防

1.内存泄漏

在编写程序时，在堆区动态开辟的内存未被手动释放，就会导致堆中可使用的内存逐渐减少，最终可能导致因内存不足产生的系统崩溃。

内存泄漏不是指内存真的消失，而是因错误或疏忽失去了对某处内存的控制，产生浪费；内存泄漏大多在堆区，因为栈区的变量会在生命周期结束后自动释放。

堆区的内存管理需要格外注意，对于每次申请的到的内存，都应当妥善处置，在目前的编译器中，一般都会在程序结束后由编译器强制释放。

2.内存泄露检测工具

valgrind是一个功能强大的内存检测工具，运行在linux平台下，可以直观感受程序运行期间的内存分配，代码如下：

在注释掉手动释放堆区内存的代码后，使用valgrind观察内存状况：

可以看到，运行显示存在一处未释放的堆区内存。

3.内存泄漏预防

对于在堆区开辟空间的类，在析构函数中必须进行释放，对于每一个"new"，都必须有对其负责的"delete"。或者使用系统提供的可靠的智能指针，同时利用工具检测内存。

七、智能指针

智能指针部分的内容较为繁琐，后续会推出专门的讲解。

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本章总结

本章分析了 C++ 程序的编译过程，以及可执行文件的内存分布，程序运行期间变量的分布，和 Linux 下检查内存泄露的一些工具，希望对面试有所帮助。

最后，我是Alkaid#3529，一个追求不断进步的学生，期待你的关注！