程序内存区介绍

程序为什么需要内存

内存是程序执行和数据存储的基础，是程序能够正常运行和实现其功能的关键因素之一。没有内存，程序将无法存储数据、执行指令或与其他程序进行交互。

程序运行需要内存的原因是因为内存提供了存储和处理数据的空间。在运行过程中，程序需要存储和操作各种数据结构，包括变量、对象、函数调用栈、堆上的动态分配内存等。

程序运行需要内存的主要原因：

• 存储变量和对象：程序中定义的变量和对象需要在内存中分配空间以存储其值。这些变量可以是基本类型（如整数、浮点数等）或自定义类型（如类对象）。

• 函数调用栈：当函数被调用时，需要在内存中为函数分配栈帧，用于保存函数参数、局部变量和返回地址等信息。函数调用栈的分配和释放是实现函数调用和返回的关键。

• 动态内存分配：程序可能需要在运行时通过动态内存分配（如new和malloc）来获取额外的内存空间，以存储变长数据、动态数据结构（如数组、链表等）或大型对象。

• 运行时堆：程序的运行时堆是用于动态分配和管理内存的区域。它用于存储动态创建的对象、数据结构和其他需要在程序运行期间动态管理的数据。

• 代码和指令：程序的指令和执行代码也需要存储在内存中。这包括程序的可执行二进制代码、函数的机器指令和其他执行所需的指令和数据。

程序的内存区类型

在C++程序中，内存被划分为不同的区域，每个区域用于存储不同类型的数据。以下是常见的内存区域：

内存区类型	解释
栈（Stack）	栈是用于存储函数调用和局部变量的内存区域。每当函数被调用时，栈会为函数分配一个栈帧，用于存储函数的参数、局部变量和返回地址等信息。栈的特点是先进后出（LIFO），函数调用结束后，相应的栈帧会自动释放。
堆（Heap）	堆是动态分配内存的区域，用于存储动态创建的对象、数据结构和其他需要在运行时进行管理的数据。通过运算符new和delete（或new[]和delete[]）在堆上进行内存的分配和释放。堆的特点是需要手动分配和释放内存，并且分配的内存空间可以在程序的任意位置使用。
全局区（Global Area）	全局区用于存储全局变量和静态变量，它们在程序的整个生命周期内存在。全局变量在程序启动时被初始化，并在程序结束时被销毁。静态变量在第一次使用时初始化，并在程序结束时被销毁。
常量区（Constant Area）	常量区存储常量数据，如字符串常量和全局常量。这些数据是只读的，在程序运行期间不能被修改。
代码区（Code Area）	代码区存储程序的可执行指令，也称为文本区。这些指令被处理器执行，控制程序的执行流程。

栈区stack

在C++程序的栈区中有一些重要特点：

• 函数调用：每当函数被调用时，栈会为该函数分配一个栈帧（Stack Frame），也称为活动记录（Activation Record），用于存储函数的参数、局部变量和返回地址等信息。栈帧包含了函数调用所需的所有上下文信息。

• 局部变量：函数内部定义的局部变量通常存储在栈区中。这些变量在函数调用时被分配内存，在函数返回时自动被释放。局部变量的生命周期与函数的执行周期相关。

• 栈指针：栈指针（Stack Pointer）是一个特殊的寄存器，用于指示当前栈顶的位置。在函数调用时，栈指针会向下移动，为新的栈帧分配空间。在函数返回时，栈指针会向上移动，释放栈帧所占用的空间。

• 栈的大小：栈的大小是有限的，通常由编译器和操作系统设置。如果栈中的内容超过了栈的大小限制，可能会导致栈溢出（Stack Overflow）错误。

• 递归调用：栈的特性使得递归函数调用成为可能。递归函数在每次递归调用时会创建一个新的栈帧，以便保存递归调用的上下文信息。递归调用过深可能导致栈溢出。

• 线程栈：除了函数调用和局部变量，栈还用于支持多线程编程。每个线程都有自己的栈，用于保存线程的执行上下文和局部变量。线程栈的大小通常可以在创建线程时进行配置。

堆区heap

在C++程序的堆区中有一些重要特点：

• 动态内存分配：堆区通过运算符new和delete（或new[]和delete[]）来进行动态内存的分配和释放。使用new运算符可以在堆区上创建单个对象，而使用new[]运算符可以创建对象数组。相应地，delete和delete[]用于释放通过new和new[]分配的内存。

• 自由存储：堆区的内存空间是自由存储的，这意味着可以在程序的任意位置对其进行分配和释放。与栈区不同，堆区上的内存分配不受函数调用的影响，可以在函数之间传递和共享。

• 手动管理：堆区的内存分配和释放需要手动进行。程序员负责在适当的时候使用new运算符分配内存，并在不再需要时使用delete运算符释放内存。未释放的堆内存可能导致内存泄漏，即无法再访问和释放不再使用的内存。

• 内存碎片：频繁的动态内存分配和释放可能导致堆区产生内存碎片。内存碎片是指堆区中存在的不连续、零散的空闲内存块，这可能会降低堆的可用空间。内存碎片的管理需要采取相应的算法和技术。

• 对象生命周期：在堆区创建的对象的生命周期不受函数的作用域限制。对象的生命周期取决于程序员显式地释放堆内存，或者在不再引用对象时使用智能指针等自动管理内存的机制

全局区Global Area

在C++程序的全局区中有一些重要特点：

• 全局变量：全局变量是在函数外部定义的变量，其作用域为整个程序。在全局区中分配的全局变量在程序启动时被初始化，并在程序结束时被销毁。全局变量可以被程序中的任何函数访问和修改。

• 静态变量：静态变量是在函数内部或函数外部使用关键字static修饰的变量。在函数外部定义的静态变量在全局区中分配内存，而在函数内部定义的静态变量在静态存储区中分配内存。静态变量的生命周期与程序的执行周期相同，它们在程序启动时被初始化，并在程序结束时被销毁。

• 常量数据：全局区还用于存储常量数据，如字符串常量和全局常量。这些数据是只读的，其值在程序运行期间不能被修改。

• 初始化：全局区的数据在程序启动时被初始化。全局变量和静态变量可以在定义时进行显式初始化，如果未显式初始化，它们会被默认初始化为零或空值。

• 存储位置：全局区的数据存储在静态存储区，也称为数据段（Data Segment）。全局区的数据在程序的可执行文件中有固定的位置，因此在程序加载时就被加载到内存中。

常量区Constant Area

在C++内存的常量区中有一些重要特点：

• 字符串常量：字符串常量是指在程序中直接使用双引号括起来的字符串，如：“Hello, World!”。这些字符串常量在编译时被存储在常量区中，并在程序运行时被加载到内存中。字符串常量是只读的，不能被修改。

• 其他常量数据：除了字符串常量，其他类型的常量数据，如整数常量、浮点数常量、枚举常量等，也可以存储在常量区中。这些常量数据在编译时被确定，并在程序运行时被加载到内存中。

• 只读性质：常量区中的数据是只读的，这意味着在程序运行时不能对常量区中的数据进行修改。任何试图修改常量区数据的操作都会导致不可预测的行为。

• 共享性质：常量区中的数据是共享的，多个相同的字符串常量或常量数据可以共享同一块内存空间。这种共享机制可以节省内存空间，提高程序的效率。

代码区Code Area

在C++程序的代码区中有一些重要特点：

• 存储程序指令：代码区用于存储程序的指令，包括函数的机器码和其他执行指令。这些指令在程序执行期间被加载到内存中，并按照顺序执行。

• 只读性质：代码区中的指令是只读的，不能被修改。这是为了确保程序的执行不会被意外修改，保证代码的安全性和稳定性。

• 共享性质：代码区中的指令是共享的，多个相同的函数或代码块可以共享同一块内存空间。这种共享机制可以节省内存空间，提高程序的效率。

• 内存保护：代码区通常具有内存保护属性，以防止非法访问和修改。这样可以防止程序执行过程中的错误或恶意操作对代码区造成破坏。

• 程序执行流程：程序在执行时，将按照代码区中指令的顺序逐条执行。程序从代码区的入口点开始执行，依次执行指令，直到执行完所有指令或遇到跳转、函数调用等控制流指令。

示例

#include <iostream>

// 全局变量，在全局区中分配内存
int globalVariable = 10;

// 常量，存储在常量区
const int constantData = 5;

// 函数定义
void foo() {
    // 局部变量，存储在栈区
    int localVariable = 20;

    // 动态分配内存，存储在堆区
    int* dynamicData = new int(30);

    delete dynamicData; // 释放堆区内存
}

int main() {
    // 字符串常量，存储在常量区
    const char* str = "Hello, World!";

    // 调用函数
    foo();

    return 0;
}

在这个例子中，全局变量globalVariable和常量constantData存储在全局区和常量区。foo()函数中的局部变量localVariable存储在栈区，而通过new运算符动态分配的dynamicData存储在堆区。main()函数中的字符串常量str存储在常量区。

原文地址：https://blog.csdn.net/yanceyxin/article/details/136994852

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