详解内存空间

0. 概述

一个C/C++ 程序，编译之后，形成的程序，在执行期间，内存中不仅存在一块区域用于存放代码，还有一些其他的区域用于使用，本节会详解C/C++内部所使用的内存地址空间，关于各内存的作用、位置做一个整体概述。

1. C++ 内存布局

操作系统的内存布局可大致分为两块：内核态和用户态，此处的内核态和用户态，不同于操作系统在执行时所进入的内核态和用户态，此处专指内存。二者有类似之处，例如：只有操作系统处于内核态时才可以访问内核态内存，因此二者容易产生混淆。

仅需了解，此处指代：内存内核态 和 内存用户态。

内存内核态暂且不去深究，内存用户态在C++程序执行时，会划分成以下内容：

【栈、堆、全局/静态区、文字常量区、程序代码区】（地址从高到低）

2. 内存分区

3. 栈区

栈：用于存放局部变量、函数参数、函数调用返回值、函数调用返回地址等数据，程序从main 主函数开始运行，到主函数运行结束，在此之间调用其他函数，可看作将其他函数进行压栈的一个过程，在栈区内的变量、地址等，当该函数执行结束后，其中的资源由系统自动释放。如main 函数中调用 func 函数，func 函数内生成一个数据，将其作为返回值进行返回。main 函数中使用变量进行接收，打印，可以看出打印值不同于 func 函数中的值（未定义行为），当func 返回后，该函数出栈，其中的资源被系统释放。

示例如下：

char *func() {
    char buf[] = "hello world";
    return buf;
}
int main(int argc, char *argv[]) {
    char *buf = func();
    cout << "buf = " << buf << endl;
    return 0;
}

另外值得注意的一点是，栈区的使用，操作方式类似于数据结构中的栈，即在使用时，后进先出，函数调用机制使用栈区完成，大量频繁的调用栈区，务必会造成时间资源的消耗，导致程序的执行效率下降。C 语言解决方法是使用宏代替短小频繁的函数体，C++ 语言的解决方法是使用内联函数进行替换，还需提高编程技巧。

机器在栈上申请的空间有限，因此在栈上使用的内存需要注意大小。

4. 堆区

堆位于栈区下，全局/静态区上，栈区向下生长，堆区向上生长，因此日常提到堆栈，是因为这两者的内存空间十分接近。

堆区是程序员可手动分配的内存空间，特点是需要手动申请和手动释放，在C语言中使用 malloc 和 free 进行申请和释放。C++中则使用 new 和 delete 进行申请和释放，此处不再赘述 malloc/free 和 new/delete 的区别，若感兴趣请自行查询相关资料。

堆区申请的数据在程序执行阶段不会被系统所自动释放，因此C和C++程序员需要注意内存大小，内存释放问题。（程序结束时会被操作系统回收）

需要注意：

1.申请堆内存之后，立刻验证内存空间是否申请成功。

2.申请行为必须对应释放行为，有申请内存，则必有释放行为，因此写 malloc 之后立刻写上free语句。new/delete 同理。

3.free 和 delete 虽然传入的是指针，但释放的确是内存空间，因此需要将该指针置为null，防止野指针问题。

另外，堆的运行速度、效率不及栈，且存在内存碎片问题。 使用 malloc 和 free 时，需要添加头文件。

5. 全局/静态区

全局区、静态区是一片区域，原因在于全局变量和静态变量的内存地址都位于这片空间下。该空间位于堆下，低地址。

定义一个变量时，需要及时进行初始化，变量被定义 static 之后，只有当前模块可见。当一个局部变量被定义为 static时，虽然该局部变量的可见范围仍然属于该函数，但该局部变量的生命周期已经延长到了程序生存期。

6. 文字常量区（只读）

文字常量区用于定义常量字符串，程序结束后由系统进行释放，不可进行写操作。

const char* 定义文字常量后，直接使用字符串，二者处于的地址相同，都位于文字常量区。

#include <func.h>

#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;

int main(int argc, char *argv[]) {
    const char *str = "Hello world";
    printf("str address = %p\n", str);
    printf("hw  address = %p\n",&"Hello world");
    return 0;
    // str address = 0x561f4d567004
	// hw  address = 0x561f4d567004
}

局部的常量字符串放在栈或者文字常量区，视编译器而定。

7. 程序代码区（只读）

顾名思义，存放程序代码的位置，函数也是存放在某个内存地址的，比如，可以打印看一下main函数的运行地址。

#include <iostream>
using std::cout;
using std::endl;

int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("main address =  %p\n", &main);
    return 0;
}

参考：https://www.cnblogs.com/songdanzju/p/7422507.html