C++内存空间详细解读

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2024-04-20 05:16 3阅读 0赞

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#### 文章目录 ####

*  前言
 *  一、内存空间类型
 *   *  1.自动内存（automatic storage）
     *  2.静态内存（static storage）
     *  3.自由内存（free storage）
 *  二、很重要
 *   *  1.程序开始执行之前
     *  2.堆内存扩展
     *  3.手动回收和自动回收
     *  4.C++垃圾回收接口
 *  总结

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## 前言 ##

我们都知道C++和C语言一样都是基于堆栈结构设计的语言，Java虽然有虚拟机而且自动回收内存，他也是基于堆栈式结构设计的语言。当然，我们今天主要讨论C++的内存空间类型，只不过首先要了解它的语言结构。

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## 一、内存空间类型 ##

C++中有3种类型的内存空间，接下来我们逐个解答。

### 1.自动内存（automatic storage） ###

除非显式声明为`static`，在函数中定义的变量（包括函数的参数），存储在自动内存中（即，`栈`中）。当函数被调用时，会为其`分配`自动内存空间，当它返回时，这部分空间被`释放`。

示例：

#include <iostream>
    
    void test(int a){
        
        int b = 0;
    }
    
    int main() {
        
        std::cout << "Hello, World!" << std::endl;
        return 0;
    }

a和b都是自动内存，当test函数执行完毕，a和b的空间被系统`自动回收`，不用`手动回收`。

### 2.静态内存（static storage） ###

全局变量和名字空间中声明的变量存储在静态内存空间中，在`函数和类`中声明的变量，如果`显式声明为static`，也存储在`静态内存`中。连接器在`程序开始执行之前`分配静态内存空间。

示例：

#include <iostream>
    
    int a = 0;
    
    namespace WebCore {
        
        int a = 0;
    
        class Demo {
        
        public:
            static int a;
        };
    
        int Demo::a = 0;
    
        void test() {
        
            static int a = 0;
        }
    }
    
    
    int main() {
        
        std::cout << "Hello, World!" << std::endl;
    }

上面所有的变量a都在静态内存里。

### 3.自由内存（free storage） ###

示例：

#include <iostream>
    
    int *a = new int{
        1};
    
    namespace WebCore {
        
        int *a = new int{
        1};
    }
    
    void test() {
        
        static int *a = new int{
        1};
        delete a;//这个写法比较尴尬，出了这个作用域就访问不到a了，要不然就把指针引出去
    }
    
    class Demo {
        
    public:
        static int *a;
    };
    
    int *Demo::a = new int{
        1};//类内声明，类外定义
    
    int main() {
        
        std::cout << "Hello, World!" << std::endl;
        std::cout << *::a << std::endl;
        test();
        std::cout << *WebCore::a << std::endl;
        std::cout << *Demo::a << std::endl;
        delete WebCore::a;
        delete Demo::a;
        delete ::a;
        return 0;
    }

上面的所有变量a都在自由存储里，使用完了必须delete，要不然会`内存溢出`。上面的写法有几个地方不合理，但是这只是演示，不要太较真。

## 二、很重要 ##

### 1.程序开始执行之前 ###

上面提到了`程序开始执行之前`，很多人可能不能很好理解这个概念。如果换个说法可能就容易接受了。我们都知道`任何C++程序`都需要定义`main函数`，这是程序的`起点函数`，也就是我们程序执行的`第一个函数`。就是说静态内存的分配在main函数执行之前就完成了，当你在main函数里面使用静态变量的时候是已经初始化好的，这下容易理解了吧。

### 2.堆内存扩展 ###

我们都知道C++是`C语言的扩展`，当然是很成功的扩展。C++保留了很多（`不是全部`）C语言的特性，让这两种语言混编几乎无任何阻碍（不支持的特性我用不到）。实际上，C语言`malloc`和`calloc`的内存也是`堆内存`，当然也需要`free释放掉`。

### 3.手动回收和自动回收 ###

在C++中我们所说的`手动回收`内存是值`堆内存`，当然`栈`是`自动回收`的。但请记住，C++依然是一门手动回收内存的语言，不能因为栈自动回收你就认为它是自动回收内存！我们说Java是一门自动回收内存的语言是因为Java的堆内存也是自动回收的，而负责这件事情的就是`垃圾回收器`，这个超出了这篇文章，感兴趣的请自行查阅。

### 4.C++垃圾回收接口 ###

C++设计之初是考虑过自动垃圾回收的，很多机构也基于这个接口实现了自己的`垃圾回收器`。但是，作为一款定位手动回收内存的语言来说，这还是存在很多的挑战，最典型的例子就是数据转换的问题。我们都知道reinterpret\_cast是完成两个不相干的数据格式之间的转换，这算是C++的一个魔幻特性了，但是不要小瞧它，有时候很有用喔！

考虑下面的代码：

#include <iostream>
    
    
    int main() {
        
        std::cout << "Hello, World!" << std::endl;
        int *p = new int{
        1};
        std::cout << *p << std::endl;
        long x = reinterpret_cast<long>(p);
        p = nullptr;
        //垃圾回收器时间
        p = reinterpret_cast<int *>(x);
        *p = 10;//这个时候p还在吗？
        std::cout << *p << std::endl;
        delete p;
    }

正常情况下应该打印1和10。但是，如果p = nullptr之后垃圾回收器回收了p原指向的内存，就会出现后面转换回来内存无效的情况。

有些人可能要问了，我不这么做不就行了吗？其实像这种情况还有很多，而且reinterpret\_cast有时候是一个非常有用的工具。比如：OpenCV的Java代码调用C++底层就用到了这个特性，Mat的内存指针被转换成long型传回Java层，在需要使用的时候再传到C++层转换回来。这种转换几乎没有效率上的损耗，要不然Java和C++之间的内存数据转换将是一个及其头疼的问题！

说到底，终究是谁也不能给出一个完美的解决方案，有利也有弊。

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## 总结 ##

1、用好三种内存就足够了