C++ 内存与编译问题总结

C++内存结构

作用域与生存周期

堆与栈

内存对齐

智能指针

shared_ptr 循环引用问题

编译与链接

内存泄漏

补充问题

include “ ”与<>

大端与小端

C++内存结构

C++程序内存分区

代码区
文件中所有的函数代码、常量以及字符串常量
只读，保护程序不会被其他进程恶意修改
全局/静态存储区
存储全局变量和静态变量。这些变量在程序开始时分配对应内存空间，程序结束的时候则释放
该区域还可以被进一步细分，初始化数据段（已经初始化的数据）、未初始化数据段
堆
动态分配的内存空间，类似于new 和 malloc分配的内存空间
堆的大小是动态变化，程序员负责分配和释放
栈
栈的内存空间是编译器来自动管理，函数调用时分配空间，函数返回时释放内存区域
存储函数调用的局部变量以及函数调用的返回地址
常量存储区
用于存储常量，不允许更改，程序结束的时候自动释放（例如初始化的字符串）

作用域与生存周期

总结

全局变量
作用域：全局作用域。全局变量在一个源文件中定义，可以作用其他所有源文件。不包含该定义的源文件，需要借助extern关键字再次声明该全局变量
生命周期：程序运行的整个声明周期都存在，程序结束则自动销毁，由系统对资源进行回收
注意：全局变量定义不要在头文件中定义，当其他文件包含该头文件时，该文件的全局变量就会被定义多次，编译时会导致重复定义出错。
静态全局变量
作用域：文件作用域。只作用于定义它的文件中，不同的源文件即使定义了相同的静态全局变量，两者也是不同的变量（全局变量是可以实现一次定义，全文件使用）
生命周期：存在于程序的整个生命周期，与全局变量相同
局部变量
作用域：局部作用域。与函数的生命周期相对应，并非程序运行期间一直存在
生命周期：生命周期只存在于函数调用的时候，函数调用结束后会自动销毁
静态局部变量
作用域：局部作用域。仅在声明静态局部变量的函数中可见
生命周期：自从初始化后直到程序运行结束都一直存在

静态局部变量实验

#include <iostream>

void staticVariableExample() {
    static int count = 0;  // 静态局部变量
    count++;
    std::cout << "Count: " << count << std::endl;
}

int main() {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        staticVariableExample();
    }
    return 0;
}

堆与栈

函数调用与栈
当程序调用函数的时候，按照从 右往左的顺序，依次将 函数调用的参数压入栈中，并在栈中压入返回地址与当前的栈帧，然后跳转到调用函数内部。

栈空间分配测试（gdb）

stact level 栈帧层 + 当前栈帧的起始地址、
saved rip ：调用该函数的指定地址信息
called by frame at 地址：调用该函数的栈帧所在的地址，该地址是一个栈帧起始地址（是被哪一个栈调用的，即上一层的地址）
arglist at 地址，args：参数列表的地址以及当前函数参数的数值是多少
saved registers：保存的寄存器列表
rbp at 地址, rip at 地址：基址指针和指令指针的地址

//测试源码
#include <iostream>

void recursiveFunction(int a, int b) {
    int c = a + b;
    std::cout << "a: " << a << ", b: " << b << ", c: " << c << std::endl;
    if (a > 0) {
        recursiveFunction(a - 1, b + 1);
    }
} 

int main() {
    recursiveFunction(3, 1);
    return 0;
}

栈溢出（程序运行中，栈的空间被耗尽，导致程序崩溃或者异常）

原因分析
深度递归：函数递归调用过深，每次递归的时候都会消耗响应的栈空间，最终导致栈溢出
局部变量过大：栈空间内如果存储了较大的局部变量，同样会导致栈空间不足
无限循环调用

#include <iostream>

void recursiveFunction() {
    int largeArray[10000]; // 大型局部变量
    std::cout << "Recursion" << std::endl;
    recursiveFunction(); // 无终止条件的递归调用
}

int main() {
    recursiveFunction();
    return 0;
}

堆

含义：进程运行时，需要动态申请内存空间存放数据时使用的空间，堆的内存空间由操作系统来管理（资源的释放由操作系统自动管理）
malloc 和 new从堆中申请内存，使用free 和 delete释放空间

堆与栈的对比

分配方式：栈编译器自动分配，堆由程序员手动分配
生命周期：栈随函数调用来决定，堆则灵活，是由程序员控制
内存大小：栈的内存空间通常固定且较小，堆的空间相对较大
线程安全：栈的线程安全，堆的线程不安全（因为同一个进程下的内存，多线程都可以访问）
场景：栈适用于局部变量、函数参数以及返回地址；堆则适用于动态数据结构以及大的数据块

内存对齐

含义

编译器将程序中的每个数据的地址，都放在机器字长的整数被的地址所指向的内存中（数据按照计算机系统大小的倍数进行对齐）
计算机内存的地址空间按照比特划分，但是实际情况上并不是严格按照顺序进行排放

内存对齐原因分析

提高性能
减少内存访问次数，从而提高性能
硬件限制
确保程序可以在不同硬件平台的正确性和兼容性
CPU访问按照机器字长为单位，不以字节为单位，机器字长又是由总线宽度决定
简化硬件设计
对齐的数据访问，减少了访问内存次数，从而提高内存访问效率

内存对齐规则

基本对齐
数据类型地址必须是该类型大小的倍数
结构体对齐（重点）
第一个成员在结构体变量偏移量的0位置
结构体中的每个成员必须是该成员大小的整数倍
VS系统中，要与8比较，取较小值
结构体的总大小必须是该结构体中最大成员大小的倍数，从而保证数组中每个结构体实例的对齐
例子分析
char a ：占用1个字节，因为下一个类型是int，所以该处需要填充3字节，从而保证int的对齐
int b：占用4个字节
short c ：占用2字节，所以向下填充两个字节，最终大小要保证是最大字节的倍数，即4的倍数，所以需要填充2个字节
所以最终计算的结果是12字节

智能指针

智能指针管理动态分配的内存和其他资源，可以实现避免内存泄漏，其本身遵循RAII原则，实现自动创建内核和销毁内存。

unique_ptr

独占对象所有权：该指针指向的对象，只可以被该指针所占有，不能够拷贝构造和复制，但是可以移动构造和移动复制构造（即一个uinque_ptr 的对象赋值给另一个uinque_ptr 对象）
作用：轻量，因为只指向一个资源，开销小；适用于资源独占的场景，利于在socket编程中以及互斥锁

#include <memory>
#include <iostream>

struct Foo {
    Foo() { std::cout << "Foo constructed\n"; }
    ~Foo() { std::cout << "Foo destroyed\n"; }
};

int main() {
    std::unique_ptr<Foo> ptr1(new Foo());
    // std::unique_ptr<Foo> ptr2 = ptr1; // 错误，不能复制
    // std::unique_ptr<Foo> ptr2(ptr1)；..错误
    std::unique_ptr<Foo> ptr3 = std::move(ptr1); // 转移所有权
    return 0;
}

shared_ptr

资源共享：多个shared_ptr指针可以指向同一个对象，指针内部会维护一个引用计数
使用
use_count()：查看资源使用者个数
release()：释放资源所有权，每一次释放会将计数减1，直到引用计数减到0，才对资源进行释放
shared_ptr不是线程安全的，其内部的引用计数是原子性的

#include <memory>
#include <iostream>

struct Foo {
    Foo() { std::cout << "Foo constructed\n"; }
    ~Foo() { std::cout << "Foo destroyed\n"; }
};

int main() {
    std::shared_ptr<Foo> ptr1(new Foo());
    std::shared_ptr<Foo> ptr2 = ptr1; // 共享
    return 0;
}

weak_ptr

作用：指向share_ptr指针所指向的对象，目的是解决shared_ptr所带来的循环引用（两个shared_ptr指针互相指）问题
使用
weak_ptr 转换为shared_ptr的时候，可以访问shared_ptr所指向的资源，但是不会影响share_ptr指针的计数
shared_ptr被weak_ptr指向时的释放：一旦最后一个指向对象的shared_ptr被销毁，对象就会被释放，即使有weak_ptr指向对象，对象也还是会被释放。
使用weak_ptr访问对象的时候，需要调用lock去检查weak_ptr所指向的对象是否存在：如果存在则会返回一个shared_ptr的指针

shared_ptr 循环引用问题

总结：两个对象相互引用对方的shared_ptr的时候，双方的引用计数都不会变成0，所以导致对象都不会被销毁，最终会导致内存泄漏

#include <iostream>
#include <memory>

class B; // 前向声明

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> ptrB;
    ~A() { std::cout << "A destroyed" << std::endl; }
};

class B {
public:
    std::shared_ptr<A> ptrA;
    ~B() { std::cout << "B destroyed" << std::endl; }
};

int main() {
    {
        std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
        std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();
        a->ptrB = b;
        b->ptrA = a;
    } // a和b出了作用域，但不会被销毁
    std::cout << "End of main" << std::endl;
    return 0;
}

weak_ptr打破循环引用思路

a持有一个指向b的shared_ptr指针，这样就增加了b的引用计数
b持有一个指向a的weak_ptr指针，但是这样不会增加a的引用计数
销毁过程
a和b两者超出作用域后，其shared_ptr引用计数会递减
当引用计数降为0的时候，a被销毁
a销毁后，其内部成员ptrB（指向b的shared_ptr）也会被销毁，所以此时b的引用计数也就会降至0，所以b也就被销毁了

#include <iostream>
#include <memory>

class B; // 前向声明

class A {
public:
    std::shared_ptr<B> ptrB;
    ~A() { std::cout << "A destroyed" << std::endl; }
};

class B {
public:
    std::weak_ptr<A> ptrA; // 使用weak_ptr打破循环引用
    ~B() { std::cout << "B destroyed" << std::endl; }
};

int main() {
    {
        std::shared_ptr<A> a = std::make_shared<A>();
        std::shared_ptr<B> b = std::make_shared<B>();
        a->ptrB = b;
        b->ptrA = a; // 使用weak_ptr
    } // a和b出了作用域，会被正确销毁
    std::cout << "End of main" << std::endl;
    return 0;
}

编译与链接

编译的处理过程（代码转换为二进制指令==编译器读取源文件，源文件翻译成ELF，ELF文件经过操作系统进行加载执行）

预处理：处理源代码中的预处理指令。取出注释以及头文件、条件编译指令、宏的替换等
编译：CPP源文件翻译成.s的汇编代码。
汇编：汇编代码.s 翻译成机器指令.o文件，一个cpp文件只可以生成一个.o文件
链接：将生成的.o文件打包成一个整体，从而生成一个可被操作系统加载执行的ELF程序文件。

静态链接

静态链接是将代码运行所需要的库函数在编译的时候，全部放到可执行文件中。生成的可执行文件就包含的所依赖的库代码，所以在运行的时候，不需要外部库的支持。
过程
编译源文件，生成目标文件
链接器将目标文件和库文件合并成一个可执行文件
编译链接实验步骤说明
g++ -c library.cpp -o library.o ：仅编译，将cpp文件输出称为library.o文件
ar rcs libstatic.a library.o：创建静态库 libstatic.a，并将library.o文件添加进去
g++ main.cpp -L. -lstatic -o static_example：main文件连接上创建的静态库，创建出可执行文件

root@hcss-ecs-b4a9:/home/test/test_o# tree
.
├── library.cpp
├── library.o
├── libstatic.a
├── main.cpp
└── static_example

g++ -c library.cpp -o library.o
ar rcs libstatic.a library.o
g++ main.cpp -L. -lstatic -o static_example
./static_example

//library.cpp

#include <iostream>

void libraryFunction() {
    std::cout << "Library function called!" << std::endl;
}

//main.cpp
#include <iostream>
extern void libraryFunction();

int main() {
    std::cout << "Hello, static linking!" << std::endl;
    libraryFunction();
    return 0;
}

动态链接

运行时将程序与库函数链接。只要在文件运行的时候，再加载对应的动态库
过程分析
编译源文件生成目标文件（.o）
编译器生成的可执行文件中包含对动态库引用
程序运行的时候，动态加载器加载所需要的动态库
编译链接步骤说明
g++ -fPIC -c library.cpp -o library.o
-fPIC：因为动态库加载的时候可能会被映射到内存的不同位置，所以需要生成位置无关代码
-c ：仅编译不链接
g++ -shared -o libdynamic.so library.o（创建动态库）
-shared：生成动态库
指定.so的名字，并输入目标文件
g++ main.cpp -L. -ldynamic -o dynamic_example（（编译链接main，同时生成可执行文件）
-L：指定链接时搜索库文件的目录，在此处表示库文件在当前目录
-ldynamic：动态库的名字" l+ dynamic）
export LD_LIBRARY_PATH=.
将动态库的目录添加到LD..这个环境变量中

//library.cpp

#include <iostream>

void libraryFunction() {
    std::cout << "Library function called!" << std::endl;
}


//main.cc
#include <iostream>
extern void libraryFunction();

int main() {
    std::cout << "Hello, dynamic linking!" << std::endl;
    libraryFunction();
    return 0;
}

动静态链接对比

特征	静态链接	动态链接
文件大小	大	小
运行速度	快	慢
依赖性	不依赖外部库	依赖外部库
更新	困难（重新编译和链接）	容易（直接更新静态库即可）
内存	大（每个程序都有独立副本）	少（多程序共享库）
版本	确保一致（编译时确定）	可能不一致（运行时确定）
使用	方便	复杂

内存泄漏

内存泄漏即是在堆中动态申请的内存，程序使用结束时没有及时释放，生命周期已结束，但是该变量在堆中的空间没有释放，从而导致堆中可使用的内存越来越少，最终导致系统变慢或者内存不足而崩溃。

防止内存泄漏

内部封装： 内存分配封装到类中，构造时创造，析构时释放
智能指针：本身就是一个防止内存泄漏的工具，内部封装了自动释放机制
良好编码习惯、使用内存泄漏检测工具

Valgrind 工具检测内存泄漏

//测试代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void memory_leak() {
    int *leak = (int *)malloc(100 * sizeof(int)); // 分配内存，但没有释放
    if (leak == NULL) {
        fprintf(stderr, "Memory allocation failed\n");
        exit(1);
    }
}

int main() {
    for (int i = 0; i < 100; ++i) {
        memory_leak();
    }
    printf("Memory leak example finished\n");
    return 0;
}

补充问题

include “ ”与<>

#include（关键字用于标识源代码编译时所需引用头文件，编译器自动查找头文件中信息）

#include<>：用于包括标准库头文件。编译器在预先指定的搜索目录中进行搜索，/usr/include目录。
#include" " ：用于包括标准库头文件。先在当前源文件目录中查找。如果没有，再到当前已经添加的系统目录中（编译时-I 指定的目录）查找，最后在 /usr/include目录查找

__has_include：

C++17的特性，用于检查是否已经包含了某个文件

#include <iostream>

int main()
{
#if __has_include(<cstdio>)
    printf("c program");
#endif

#if __has_include("iostream")
    std::cout << "c++ program" << std::endl;
#endif

    return 0;
}