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【C++】内存模型分析

news 来源：原创 2025/5/18 6:42:32

在 C++ 语言中，程序运行时的内存通常被划分为以下几个区域：

代码区（Text Segment）
常量区（Constant Segment）
全局/静态区（Data Segment，包含静态数据段和 BSS 段）
堆区（Heap）
栈区（Stack）

分布图例如下：

1. 代码区（Text Segment）

该区域存放的是程序的机器指令，即代码本身。
代码区通常是只读的（read-only），防止程序在运行过程中修改自身代码，提高安全性。
在程序启动时由操作系统加载到内存，并且通常所有线程共享这部分内存。

2. 常量区（Constant Segment）

该区域用于存储只读的常量，例如字符串字面量和 const 关键字修饰的全局常量。
常量区通常和代码区一样是只读的，防止意外修改。
例如：

const int x = 10;   // 存储在常量区
const char* str = "Hello";  // "Hello" 字符串存储在常量区

但要注意，const 变量并不一定存储在常量区，例如：

void func() {
    const int local_const = 5;  // 该常量存储在栈区
}

这里 local_const 是局部 const 变量，它仍然存储在栈区，而不是常量区。

3. 全局/静态区（Data Segment）

该区域存储全局变量、静态变量（static 修饰的变量）。
进一步细分为：

- 已初始化数据段（Data Segment）：存放已初始化的全局变量和静态变量。
- 未初始化数据段（BSS Segment）：存放未初始化的全局变量和静态变量，程序运行时会自动初始化为 0。

示例：

int global_var = 42;    // 存在已初始化数据段
static int static_var = 10; // 存在已初始化数据段
int uninitialized_global;  // 存在 BSS 段，默认值为 0
static int uninitialized_static;  // 存在 BSS 段，默认值为 0

区别：

全局/静态变量的生命周期贯穿整个程序运行时间，直到程序退出才被释放。
这些变量存储在可读写的内存区域，不同于代码区和常量区的只读特性。

4. 堆区（Heap）

堆区用于动态分配的内存，new 或 malloc 分配的对象存储在这里。
由程序员手动管理，如果 new 了对象，必须 delete，否则会造成内存泄漏。
例如：

int* p = new int(5); // 在堆区分配一个 int
delete p;            // 释放堆内存

注意：

- 堆的管理通常由 C++ 运行时库（Runtime Library）和操作系统负责。
- 堆区不像栈区那样自动释放，程序员需要自己管理内存的分配和释放。

5. 栈区（Stack）

栈区存储函数调用时的局部变量、函数参数、返回地址等数据。
由系统自动管理，函数调用时分配，函数返回时自动释放。
栈的分配和回收速度比堆快，因此局部变量的存取效率更高。
例如：

void func() {
    int a = 10; // 局部变量 a 存在栈区
}

注意：

- 栈的空间有限，过度使用递归或分配过大的局部数组可能导致栈溢出（Stack Overflow）。

常量区 vs. 全局/静态区

两者的主要区别如下：

类别

存储内容

是否可修改

存储位置

生命周期

常量区

字符串字面量、全局 const

变量

只读

代码段的一部分

程序运行期间

全局/静态区

全局变量、静态变量

可读写

Data Segment（已初始化/未初始化数据段）

程序运行期间

关键点：

常量区是只读的，而全局/静态区是可修改的。
字符串字面量存储在常量区，而普通全局/静态变量存储在全局/静态区。
局部 const 变量存储在栈区，而不是常量区。

全局变量和静态变量的区别

在 C++ 中，全局变量和静态变量的存储位置都属于**“全局/静态存储区”**（Data Segment），但它们之间还是有一些区别的。我们通常把这部分内存区域分成两个概念：

全局区（Global Segment）——存储全局变量
静态区（Static Segment）——存储静态变量

不过在实际实现上，这两个变量通常都位于全局/静态存储区（Data Segment），只是它们的作用域和访问方式不同。

1. 全局变量（Global Variables）

存储位置：存放在全局区（Data Segment 的一部分）。
作用域：在整个程序范围内可访问，即在定义它的文件及其他文件中（如果使用 extern 声明）。
生命周期：从程序启动到程序终止，一直存在，不会被销毁。
初始化：

- 显式初始化：按照程序员指定的值初始化。
- 默认初始化：如果未初始化，全局变量会被自动初始化为 0（整数）、nullptr（指针）、0.0（浮点数）。

示例：

#include <iostream>

int globalVar = 10; // 全局变量，存储在全局区

void func() {
    std::cout << globalVar << std::endl; // 在任何地方都可以访问
}

int main() {
    func(); // 输出 10
    return 0;
}

可被 extern 关键字在其他文件中引用：

// file1.cpp
int globalVar = 42;

// file2.cpp
extern int globalVar;  // 在其他文件中声明

2. 静态变量（Static Variables）

静态变量可以分为静态局部变量和静态全局变量：

(1) 静态全局变量（Static Global Variables）

存储位置：存放在静态区（Data Segment 的一部分）。
作用域：仅限于定义它的文件内部（文件作用域），不能被其他文件 extern 访问。
生命周期：从程序启动到程序终止，始终存在。
初始化：

- 显式初始化：按照程序员指定的值初始化。
- 默认初始化：如果未初始化，静态全局变量会被自动初始化为 0、nullptr 或 0.0。

示例：

#include <iostream>

static int staticGlobalVar = 20; // 静态全局变量

void func() {
    std::cout << staticGlobalVar << std::endl; // 可以访问
}

int main() {
    func(); // 输出 20
    return 0;
}

不能被 extern 关键字访问：

// file1.cpp
static int staticVar = 42;  // 只能在 file1.cpp 内部访问

// file2.cpp
extern int staticVar;  // ❌ 错误，无法访问

(2) 静态局部变量（Static Local Variables）

存储位置：存放在静态区（Data Segment 的一部分），不会存放在栈上。
作用域：仅限于函数内部，但不会在函数调用结束后销毁，下一次调用仍然能访问原来的值。
生命周期：在程序运行期间一直存在，直到程序结束。
初始化：

- 只在函数首次调用时初始化一次，后续调用不会重新初始化。

示例：

#include <iostream>

void func() {
    static int counter = 0; // 静态局部变量，初始化仅执行一次
    counter++;
    std::cout << "Counter: " << counter << std::endl;
}

int main() {
    func(); // 输出 Counter: 1
    func(); // 输出 Counter: 2
    func(); // 输出 Counter: 3
    return 0;
}

- counter 变量即使 func() 结束了，也不会被销毁。
- 普通局部变量（非 static） 每次调用都会重新初始化，而静态局部变量的值会被保留。

3. 静态区和全局区的区别

（1）存储位置

全局变量 存储在全局区（Data Segment 的一部分）。
静态变量 存储在静态区（Data Segment 的一部分）。

实际上，全局变量和静态变量都在数据段（Data Segment），但它们的作用域不同，因此有时被称为“全局区”和“静态区”。

（2）作用域

变量类型	作用域（访问范围）	可否用 extern 访问
全局变量	整个程序都可以访问	✅ 可以使用 `extern`
静态全局变量	仅限于当前文件（文件作用域）	❌ 不能跨文件访问
静态局部变量	仅限于当前函数（局部作用域）	❌ 不能跨函数访问

（3）生命周期

变量类型	生命周期
全局变量	程序运行期间一直存在
静态全局变量	程序运行期间一直存在
静态局部变量	程序运行期间一直存在（不会随着函数结束而销毁）
普通局部变量	函数调用时创建，调用结束后销毁