C/C++程序内存模型

本文详细介绍了C/C++程序运行时的内存布局,包括栈区、堆区、全局区(静态区)、文字常量区和程序代码区的功能及使用特点。

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一个由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分
1、栈区(stack)— 由编译器自动分配释放,存放函数的参数值,局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。
2、堆区(heap) — 一般由程序员分配释放,若程序员不释放,程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事。
3、全局区(静态区)(static)—,全局变量和静态变量的存储是放在一块的,初始化的全局变量和静态变量在一块区域(.data),未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域(.bss)。 - 程序结束后由系统释放。
4、文字常量区 —常量字符串就是放在这里的(.rodata)。 程序结束后由系统释放。
5、程序代码区—存放函数体的二进制代码(.text)。
### C/C++ 内存模型的概念 内存模型定义了程序中变量之间的关系以及这些变量如何被多个线程访问和修改。对于C++而言,内存模型不仅涉及单线程环境下的行为,还特别关注多线程环境下对共享资源的安全访问[^1]。 #### 单线程环境下的内存布局 在单一线程的应用程序中,内存通常分为几个区域: - **栈区 (Stack)**:用于存储局部变量、函数参数等生命周期较短的数据结构。 - **堆区 (Heap)**:动态分配的对象位于此区域内,通过`new`或`malloc()`创建,并由程序员负责管理释放。 - **全局/静态数据区**:保存全局变量及静态变量,在整个程序运行期间持续存在。 - **代码 (Text Segment)**:存放编译后的机器指令,这部分通常是只读的。 #### 多线程环境中的内存一致性 进入并发编程领域后,由于不同处理器核心可能拥有自己的一级缓存副本,这使得同一地址空间内的值可能出现不一致的情况。为了确保跨线程间正确无误地交换信息,引入了特定机制来维护所谓的“可见性”与“有序性”。 ##### 可见性和重排序优化 现代CPU架构允许出于性能考虑重新排列指令执行顺序,只要不影响当前线程内部逻辑即可。然而这种自由度可能导致其他正在观察相同位置变化的新线程看到错误的状态序列。因此,必须借助屏障(Barrier)、volatile关键字或是更细粒度控制手——即原子操作及其关联的记忆序约束条件,以防止不必要的乱序现象发生[^3]。 ```cpp std::atomic<int> shared_var(0); void thread_func() { while (!shared_var.load(std::memory_order_acquire)) { /* wait */ } } ``` 上述例子展示了利用`std::atomic<T>`模板类实现了一个简单的忙等待循环,其中`load()`方法指定了获取最新写入值所需的最低限度同步级别为acquire语义,从而保证后续读取不会越过该点之前发生的任何更新动作。 #### 记忆序(Memory Order) 记忆序描述了一组规则集,用来规定哪些类型的内存访问应当遵循严格的先后次序,而哪些则可以在一定范围内灵活调整。具体来说,有如下几种常见模式: - `relaxed`: 完全放松限制,仅保持基本因果关系; - `consume`, `acq_rel`, 和 `seq_cst`: 提供不同程度上的强健保障措施,适用于构建复杂的锁-free算法设计场景下使用。 ---
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