C/C++程序的内存区域划分

Posted 2022-12-15 Zip Zou

很多刚接触C/C++的朋友，很难深入的理解指针，以及内存管理的特性。
与基于.NET 的托管C++和JAVA不同的是，C/C++将内存管理的过程，都交给了程序员，虽然这给编码带来了更加复杂的一个过程，但是直接操作内存，具有极高的执行效率。然而，与此同时，带来的也是各种安全隐患。如我们使用数组时经常出现的数组越界问题，指针被“野”掉的问题。
数组越界：

int main()

    int arr[100] =  0 ;
    arr[100] = 0;

VC调试下，出现Crash

像这样的语句，便是最经典的越界问题，因为对标准数组而言，下标从0开始，并且截止于length - 1。当然，在程序中，即时是新手，也不一定会出现上述显式的越界错误，更多的，是出现在循环嵌套，以及各种条件控制中，对下标的难以控制，而造成越界错误等，如下标小于0。
而像野指针，自然也经常出现在程序中：

int *p;
*p = 100;
/*Like this occasion: the pointer is used without being initialized*/

上面的情况，说明了指针被“野”而产生的错误，由此看来，指针在给我们带来方便的同时，一样的造成了各种异常错误的潜在威胁。

那么我们在使用指针的时候，便非常有必要注意，防止越界问题，和野指针问题。

在程序运行期间，操作系统会为每个程序分配内存。由于数据的性质不同，每个程序都会有不同的内存区域，并且其生命周期也是不同的。

每个程序有如下几个内存区域：堆栈区（栈区）， 堆区， 全局区，常量区和代码区。
下面分别介绍几个区域的区别：

堆栈区（栈区）Stack

栈区变量存在的特性，主要在于其生命周期较短，并且其内存，由编译器管理，并由编译器自动释放。如我们手动声明的局部变量，函数的形参等，都是作为栈区变量存在。
如：

int main()

    int a = 100;//局部变量a，只在main函数及以下部分可见
    int func(int, int);// 函数代码存入代码区
    char str[100] =　"China"; //字符常量，存入常量区
    static int b = 100;// 静态变量，存入全局区
    return 0;


int func(int a, int b) // 产生a，b两个栈区变量，声明周期只存在于func内

    return a - b;//return 语句结束，函数结束，a，b都将被释放

如上述代码，所有的变量，均被分配在栈区，并且由编译器负责释放，当变量的生命周期结束，内存空间便不再有效。同样的，数组空间也被归还操作系统，有可能被其他进程占用，这也就是为什么在子函数中，不推荐返回数组的原因之一。如下将会产生警告(VC):

int main()

    int *getArray();
    int *arr = getArray();
    std::cout << arr[9];


int *getArray()

    int _arr[10] =  0 ;
    return _arr;

堆区 Heap
而堆区不一样，其生命周期取决于程序员，若程序员不对该内存进行释放，那么它将一直存在，知道程序结束。于是堆区内存，是程序员真正有权限大规模控制的内存区域。如：

/*Initial an array ranged by input.*/
int main()

    int size;
    int *arr = NULL;
    printf("Please input the size of the array: ");
    size = scanf("&d", &size);
    arr = (int *)malloc(sizeof(int) * size);
    if(!arr)
    
        printf("Failed allocated!\\n");
    
    else
    
        // TODO: Insert code to use this memory area.
    
    // After used, the memory should be released
    // Call it to free
    free(arr);
    arr = NULL;
    // If you don't free it, it will not free until this program ended.

因此，堆区内存，尽量使用后立即释放且必须释放，若不释放，它将一直占据内存，并直到程序的结束。且释放内存后，尽量将该指针置空，防止野指针问题。

全局区 Static
全局区，拥有较久的生命周期，该段内存由系统管理。全局区分为两种情况，存放静态变量，存放全局变量，且未初始化的变量与初始化后的变量，存在于两个不同的区域。这也就是static变量为何只被一次初始化的原因。并且，在任何地方，对static变量的修改，都是生效的，因为其只有在程序结束后，系统进行内存释放。
常量区
常量区，一般用于存放字符串等一些字面常量。与宏定义不同，宏定义不能算作常量，而应该叫做“符号常量”，重点在于符号两个字，#define命令产生的一切符号，都是要在编译阶段，进行宏展开的，这些符号常量，会被一次替换成为真正的数据。
代码区
如字面意思，该区域，只用于存放函数体的二进制代码而已。

在一个C/C++程序中，都大致分为这5个区域，对内存进行管理。那么我们在使用指针时，便需要尤其注意栈区内存和堆区内存的区别，因为其生命周期的不同，在使用指针时，便尤为重要。同时，清楚这些，才能真正理解，为何数字交换的函数，如若不借助指针，将无法完成交换的原因。

下列代码，将无法实现交换：

#include <stdio.h>
int main()

    void swap(int, int); //Statement of function
    int a = 6, b = 5;
    printf("The original data is : a = %d, b = %d\\n", a, b);
    swap(a, b);
    printf("The data after swapped is: a = %d, b = %d\\n", a, b);
    return 0;

void swap(int a, int b)

    int t = a;
    a = b;
    b = t;

执行结果：

原因在于，在swap函数中，a，b都是形式参数，因此属于栈内存，而且该两个变量，与main中的a，b变量，属于不同的内存地址，如果仅仅靠交换栈区变量值，是无法完成交换的，而且函数在进行调用时，永远是传值调用，函数调用会将实参进行一份拷贝，并传入形式参数的栈区变量，指针也如此，传递指针时，也是将指针拷贝，进行传递。

最后说几句
尽管静态变量，用起来貌似很方便，因为其一直存在。但是一个程序中，是要极力避免使用过多的静态变量和全局变量的，因为其内存不被释放，持久占据内存，这对内存使用率是不高的，而且过度使用全局变量会造成变量的命名冲突问题。

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内存管理，对于C/C++程序来说，算是精髓之处，如果能够充分理解，将对指针的使用，有很大的帮助。