C++ 内存分区模型、引用与函数提高

1 内存分区模型

C++程序在执行时，将内存大方向划分为4个区域

• 代码区：存放函数体的二进制代码，由操作系统进行管理的
• 全局区：存放全局变量和静态变量以及常量
• 栈区：由编译器自动分配释放, 存放函数的参数值,局部变量等
• 堆区：由程序员分配和释放,若程序员不释放,程序结束时由操作系统回收

内存四区意义：

不同区域存放的数据，赋予不同的生命周期, 给我们更大的灵活编程

1.1 程序运行前

​ 在程序编译后，生成了exe可执行程序，未执行该程序前分为两个区域

​ 代码区：

​ 存放 CPU 执行的机器指令

​ 代码区是共享的，共享的目的是对于频繁被执行的程序，只需要在内存中有一份代码即可

​ 代码区是只读的，使其只读的原因是防止程序意外地修改了它的指令

​ 全局区：

​ 全局变量和静态变量存放在此.

​ 全局区还包含了常量区, 字符串常量和其他非局部常量也存放在此.

​ 该区域的数据在程序结束后由操作系统释放

1.2 程序运行后

​ 栈区：

​ 由编译器自动分配释放, 存放函数的参数值，局部变/常量等

​ 注意事项：不要返回局部变量的地址，栈区开辟的数据由编译器自动释放

​ 堆区：

​ 由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时由操作系统回收

​ 在C++中主要利用 new 关键字在堆区开辟内存，利用 delete 关键字释放内存

1.3 new操作符

​ C++中利用 new 操作符在堆区开辟数据

​ 堆区开辟的数据，由程序员手动开辟，手动释放，释放利用操作符 delete

​ 语法：new 数据类型

​ 利用new创建的数据，会返回该数据对应的类型的指针（地址）

示例1： 基本语法

void test01() {
    int *a = new int(10);
	int *b = new int{ 10 }; //列表初始化
	
    delete a;
    delete b;
}

示例2：开辟数组

//堆区开辟数组
void test02() {

	int *a = new int[10];
	for (int i = 0; i < 10; i++) {
		a[i] = i + 100;
	}
    int *b = new int[3]{ 1, 2, 3 }; //列表初始化
	//释放数组 delete 后加 []
	delete[] a;
    delete[] b;
}

2 引用

2.1 引用的基本使用

**作用： **给变量起别名

语法： 数据类型 &别名 = 原名

示例：

void test01() {
	int a{ 10 }; //列表初始化
	int &b = a;
    
    b = 20; //修改了b，a的值也会被修改
}

2.2 引用注意事项

• 引用必须初始化
• 引用在初始化后，不可以改变

示例：

void test01() {
	int a{ 10 }, b{ 20 };
	//int &c; //错误，引用必须初始化
	int &c = a; //一旦初始化后，就不可以更改
	c = b; //这是赋值操作，不是更改引用
}

2.3 引用做函数参数

使用：引用可做函数参数，但调用时只需传普通变量即可

作用：在被调函数中改变引用变量的值，则改变的是实参的值

优点：可以简化指针修改实参

示例：

//1. 值传递
void mySwap01(int a, int b) {
	int temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}
//2. 指针传递
void mySwap02(int* a, int* b) {
	int temp = *a;
	*a = *b;
	*b = temp;
}
//3. 引用传递
void mySwap03(int& a, int& b) {
	int temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}
int main() {
	int a = 10, b = 20;
    
	mySwap01(a, b); //值传递
	mySwap02(&a, &b); //指针传递
	mySwap03(a, b); //引用传递
    
	return 0;
}

总结：通过引用参数产生的效果同按地址传递是一样的。引用的语法更清楚简单

2.4 引用做函数返回值：函数调用作左值

引用是可以作为函数的返回值存在的

用法：函数调用作为左值，必须返回引用

示例：

int& test01() {
    //int a = 10; //局部变量不可返回
	static int b = 20;
	return b; //返回静态变量引用
}

int main() {
	int& ref2 = test01();
	cout << "ref2 = " << ref2 << endl;

	test01() = 1000;
	cout << "ref2 = " << ref2 << endl;

	return 0;
}

2.5 引用的本质

本质：引用的本质在c++内部实现是一个指针常量.

示例：

int test01(){
	int a = 10;
    
    //自动转换为 int* const ref = &a; 指针常量是指针指向不可改，也说明为什么引用不可更改
	int& ref = a; 
	ref = 20; //内部发现ref是引用，自动帮我们转换为: *ref = 20;
}

结论：C++推荐用引用技术，因为语法方便，引用本质是指针常量，但是所有的指针操作编译器都帮我们做了

2.6 常量引用

作用：常量引用主要用来修饰形参，防止误操作

在函数形参列表中，可以加 const 修饰形参，防止形参改变实参

示例：

//引用通常用来修饰形参,防止误操作修改实参
void test01(const int& v) {
	//v += 10;
	cout << v << endl;
}

int test02() {
	//int& ref = 10;  引用本身需要一个合法的内存空间，因此这行错误
	//加入const就可以了，编译器优化代码，int temp = 10; const int& ref = temp;
	const int& ref = 10;

	//ref = 100;  //加入const后不可以修改变量
	cout << ref << endl;
}

3 函数提高

3.1 函数默认参数

在C++中，函数的形参列表中的形参是可以有默认值的。

• 调用带有默认参数值的函数时，如果不指定带有默认值的参数，则该参数自动被赋为默认值

语法：返回值类型 函数名 (参数 = 默认值) { ... }

注意事项：

1. 如果某个位置参数有默认值，那么从这个位置往后，从左向右，必须都要有默认值

   //int func(int a, int b = 10, int c) { //错误，b之后的参数c也要有默认参数
   int test01(int a, int b = 10, int c = 10) {
   	return a + b + c;
   }
   

2. 如果函数声明有默认值，函数实现的时候就不能有默认参数；反之亦然。

   C++规定 (C++03/C++11)： A default argument shall not be redefined by a later declaration (not even to the same value). (函数重定义/声明时，不允许重定义默认参数 )

   int func2(int a = 10, int b = 10);
   ...
   int func2(int a, int b) {
   	return a + b;
   }
   

3.2 函数占位参数

C++中函数的形参列表里可以有占位参数，用来做占位，调用函数时必须填补该位置

语法： 返回值类型 函数名 (数据类型){}

示例：

//函数占位参数 ，占位参数也可以有默认参数
void func(int a, int) {
	cout << "this is func" << endl;
}
int main() {
	func(10,10); //占位参数必须填补
    
	return 0;
}

作用：占位参数的一个作用，就是在重载自增 ++ /自减 -- 运算符的时候，区分前自增/自减（++a）还是后自增/自减（a++）

3.3 函数重载

3.3.1 函数重载概述

作用：函数名可以相同，提高复用性

函数重载满足条件：

• 同一个作用域下
• 函数名称相同
• 函数参数类型不同 或者 个数不同 或者 顺序不同

注意: 函数的返回值不可以作为函数重载的条件

示例：

//函数重载需要函数都在同一个作用域下
void func() { cout << "func 的调用！" << endl; }
void func(int a) { cout << "func (int a) 的调用！" << endl; }
void func(double a) { cout << "func (double a)的调用！" << endl; }
void func(int a ,double b) { cout << "func (int a ,double b) 的调用！" << endl; }

//函数返回值不可以作为函数重载条件
//int func(int a, double b) { cout << "func (double a ,int b)的调用！" << endl; }

int main() {
	func();
	func(10);
	func(3.14);
	func(10,3.14);
	
	return 0;
}

3.3.2 函数重载注意事项

• 引用作为重载条件的情况下
• 函数重载碰到函数默认参数

示例：

//1、引用作为重载条件
void func(int &a) {
	cout << "func (int &a) 调用 " << endl;
}
void func(const int &a) {
	cout << "func (const int &a) 调用 " << endl;
}

//2、函数重载碰到函数默认参数
void func2(int a, int b = 10) {
	cout << "func2(int a, int b = 10) 调用" << endl;
}
void func2(int a) {
	cout << "func2(int a) 调用" << endl;
}

int main() {
	int a = 10;
	func(a); //调用无const
	func(10); //调用有const

	//func2(10); //碰到默认参数产生歧义，需要避免

	return 0;
}

3.4 内联函数

3.4.1 普通函数的优缺点

1. Pros(优点): 易读易维护

2. Cons (缺点): 调用时有开销

函数调用时：参数及部分CPU寄存器的内容进栈，控制流跳转

函数返回时：返回值及寄存器值出栈，控制流跳转

3.4.2 定义内联函数

语法：定义函数时，在函数类型前面加上 inline 关键字

一般而言，内联函数的声明和定义都在一起。我们很少将内联函数的声明和定义分开编写。

// 定义内联函数
inline int max (int a, int b) { return (a > b ? a : b); }

3.4.3 内联函数的使用

目的：减小函数调用开销

方法：编译器在遇到内联函数的调用时，会将内联函数的函数体展开到调用位置，从而避免函数调用的开销。

// Calling (调用内联函数)
int  x = max (3, 5);
int  y = max (0, 8);

// Inline expansion (内联展开)
int  x = (3 > 5 ? 3 : 5);
int  y = (0 > 8 ? 0 : 8);

结果：导致程序变大

一般来说，内联函数只有在需要考虑程序运行性能的环境中才使用。

程序员所用的 inline 关键字，只是对编译器的一个请求。内联函数是否展开，是由编译器决定的。

3.4.4 将内联函数的声明和定义分离

在C++标准7.1.2.4节有如下说明

内联函数应在每个翻译单元中定义。在该翻译单元中它遵循“单一定义规则（ODR）”，并且所有该内联函数定义必须完全相同。[ 注释：在翻译单元中可能会在内联函数定义出现之前就有调用该内联函数的语句]

因此，内联函数声明和定义分类的用法如下：

#include <iostream>
inline void foo();
int main() {
    foo();
    return 0;
}

inline void foo() {
    std::cout << "Hi\n";
}