c++ 内存模型

C++ 内存空间

在 C++ 中，程序运行时使用的内存主要分为几个不同的区域，其中最重要的是栈(Stack)和堆(Heap)。

内存空间的主要区域

1. 代码区(Text Segment)

   • 存储程序的机器指令（编译后的代码）
   • 通常是只读的

2. 全局/静态区(Data Segment)

   • 存储全局变量和静态变量
   • 分为：
     • 已初始化数据区（.data）
     • 未初始化数据区（.bss）

3. 栈(Stack)

   • 自动管理的内存区域
   • 存储局部变量、函数参数、返回地址等

4. 堆(Heap)

   • 动态分配的内存区域
   • 需要手动管理（或通过智能指针管理）

栈(Stack) vs 堆(Heap) 详细对比

特性	栈(Stack)	堆(Heap)
分配方式	自动分配/释放	手动分配/释放 (new/delete)
管理方式	编译器自动管理	程序员手动管理
分配速度	非常快（只需移动栈指针）	相对较慢（需要查找合适内存块）
内存大小	较小（通常几MB）	较大（受系统可用内存限制）
生命周期	函数执行期间	直到显式释放
碎片问题	无	可能有（频繁分配释放后）
访问速度	更快（CPU缓存友好）	稍慢
扩展方向	通常向下增长	通常向上增长
典型用途	局部变量、函数调用	动态大小或生命周期长的对象

代码示例

#include <iostream>

// 全局变量 - 存储在全局/静态区
int global_var = 10;

void stackExample() {
    // 局部变量 - 存储在栈上
    int stack_var = 20;
    std::cout << "Stack variable: " << stack_var << std::endl;
    // 函数结束时自动释放
}

void heapExample() {
    // 动态分配 - 存储在堆上
    int* heap_var = new int(30);
    std::cout << "Heap variable: " << *heap_var << std::endl;
    // 必须手动释放，否则内存泄漏
    delete heap_var;
}

int main() {
    stackExample();
    heapExample();
    
    // 静态局部变量 - 存储在全局/静态区
    static int static_var = 40;
    std::cout << "Static variable: " << static_var << std::endl;
    
    return 0;
}

使用建议

1. 优先使用栈内存：

   • 对于生命周期与函数相同的小型对象
   • 访问更快，自动管理更安全

2. 需要使用堆内存的情况：

   • 对象需要比创建它的函数更长的生命周期
   • 对象太大（可能超过栈大小限制）
   • 需要动态大小的数据结构（如运行时才知道大小的数组）

3. 现代C++最佳实践：

   • 尽量使用智能指针(std::unique_ptr, std::shared_ptr)而不是裸指针管理堆内存
   • 对于容器类，优先使用标准库容器(std::vector, std::string等)，它们内部会合理管理内存

4. 避免常见错误：

   • 栈溢出（递归太深或分配大数组）
   • 内存泄漏（忘记释放堆内存）
   • 悬垂指针（访问已释放的内存）
   • 双重释放（多次释放同一内存）

动态分配内存

  /*
    * 动态分配内存
    */
    //1. 声明一个指针，用new 运算符向系统申请一块内存，让指针指向这块内存
    int* p = new int(5);
    std::cout<<"p: "<<p<<" *p: "<<*p<<std::endl;
    //2. 通过指针解引用方法，像使用变量一样使用这块内存
    *p = 8;
    std::cout<<"p: "<<p<<" *p: "<<*p<<std::endl;
    //3. 如果这块内存不用了，用delete释放这块内存
    delete p;
    return 0;
    // 注意：如果动态分配的内存不用了，必须delete释放，否则可能用尽系统的内存。

//结果

p: 0x12aa0f70 *p: 5
p: 0x12aa0f70 *p: 8