【C/C++】理解 C/C++ 中的堆、栈、静态区和只读区（重传）

我很久以前写过大量的博文都被我删除了，找了一些有价值的重传一下

在 C/C++ 编程中，内存管理是一个重要的基础知识。但国内的大多数初学者是接触不到这些内容的，本文就简单讲解一下，程序编译运行后，代码都被划分成那些区域，再通过运行时程序控制运行的。

一、内存分区简介

C/C++ 程序的内存通常分为以下几个部分：

1. 栈区（Stack）
   栈区用于存储函数调用时的临时变量（如局部变量、函数参数等）。它由操作系统自动管理，分配和释放内存，速度快，但空间有限。

2. 堆区（Heap）
   堆区是程序运行中动态分配内存的区域，通常由程序员通过 malloc 或 new 分配内存，并需要用 free 或 delete 手动释放。

3. 静态区（Static Segment）
   静态区存储程序中的全局变量、静态变量和常量。它们在程序运行期间分配一次，直到程序结束时才释放。

4. 只读区（Read-Only Segment）
   只读区存放不可修改的常量数据（如字符串字面量）。尝试修改只读区的数据会导致程序崩溃。

5. 代码区（Code Segment）
   代码区存储程序的可执行指令，通常是只读的，防止代码被意外修改。

二、栈区

1. 栈区的特点

• 自动管理：栈区由操作系统自动分配和释放，程序员无需干预。
• 存储内容：存储局部变量、函数参数、返回地址等。
• 生命周期：变量在函数调用时分配，函数结束时自动销毁。
• 效率高：栈区由于连续的内存分配和自动管理，访问速度非常快。

2. 栈区的示例代码

#include <iostream>

void exampleFunction() {
    int a = 10;  // 局部变量，存储在栈区
    int b = 20;  // 局部变量
    std::cout << "a + b = " << (a + b) << std::endl;
}

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

在上面的代码中，a 和 b 是局部变量，存在栈区。当 exampleFunction 执行完毕后，a 和 b 的内存会被自动释放。

3. 开发中的注意事项

• 栈溢出（Stack Overflow）：栈空间有限（通常为几 MB），如果递归深度过大或局部变量占用内存过多，可能会导致栈溢出。
• 禁止返回栈内存地址：函数结束后，栈上的变量会被销毁，因此返回它们的地址是危险的。

int* riskyFunction() {
    int a = 10;
    return &a;  // 错误！返回已释放的栈内存地址
}

三、堆区

1. 堆区的特点

• 手动管理：程序员需要通过 malloc 或 new 分配内存，并使用 free 或 delete 释放内存。
• 存储内容：动态分配的内存，例如对象、数组等。
• 生命周期：由程序员控制，手动释放前内存会一直占用。
• 灵活性：堆内存可以在程序运行时动态调整大小。

2. 堆区的示例代码

#include <iostream>

int main() {
    int* p = new int(42);  // 在堆区分配一个整数，值为 42
    std::cout << "Value: " << *p << std::endl;
    delete p;  // 手动释放内存
    return 0;
}

3. 开发中的注意事项

• 及时释放内存：忘记释放堆内存会导致内存泄漏，特别是在长时间运行的程序中。
• 避免悬空指针：释放堆内存后，指针仍然指向已释放的地址。建议将指针置为 nullptr。

int* p = new int(10);
delete p;
p = nullptr;  // 避免悬空指针

四、静态区

1. 静态区的特点

• 全局变量和静态变量存储在静态区。
• 生命周期长：变量从程序开始到程序结束始终存在。
• 默认初始化：未显式初始化的全局变量和静态变量会被自动置为零值。

2. 静态区的示例代码

#include <iostream>

int globalVar = 100;  // 全局变量，存储在静态区

void staticExample() {
    static int staticVar = 10;  // 静态局部变量，存储在静态区
    staticVar++;
    std::cout << "staticVar = " << staticVar << std::endl;
}

int main() {
    staticExample();
    staticExample();  // 再次调用时，staticVar 保留上次的值
    return 0;
}

五、只读区

1. 只读区的特点

• 存储不可修改的数据：包括字符串字面量和 const 修饰的全局变量。
• 只读属性：尝试修改只读区的数据会导致运行时崩溃。

2. 示例代码

#include <iostream>

int main() {
    const char* str = "Hello, World!";  // 字符串字面量，存储在只读区
    // str[0] = 'h';  // 错误！尝试修改只读区内容
    std::cout << str << std::endl;
    return 0;
}

六、堆栈区与操作系统堆栈区的关系

1. 操作系统堆栈区是什么？

• 操作系统为每个线程分配了一块栈内存，称为线程栈或系统栈。
• 在 C/C++ 中，程序的栈区就位于操作系统分配的线程栈中。

2. 关系与区别

• 线程栈是栈区的底层实现：C/C++ 的栈区实际上是操作系统分配的线程栈的一部分。
• 操作受限：程序员无法直接操作操作系统的线程栈，栈区的内存分配完全由编译器和操作系统管理。

七、内存区域的对比表

八、堆栈区与堆栈数据结构是否有关系

注意，堆栈区和堆栈实际上没有直接关系。但栈区的数据结构通常确实是栈，但堆区的数据结构一般都比较复杂，不同语言实现也都不太一样。

九、简单总结

1. 栈区 是函数调用期间的临时存储区域，速度快但空间有限。
2. 堆区 提供灵活的内存分配方式，但需要程序员手动管理。
3. 静态区 用于存储全局变量和静态变量，这些变量贯穿程序的整个生命周期。
4. 只读区 存放不可修改的常量数据，修改会导致错误。
5. 栈区和操作系统堆栈区密切相关，栈区是线程栈的一部分，由操作系统和编译器协同管理。

理解这些内存区域的作用和特点，不仅能帮助你写出高效的代码，还能避免常见的 Bug，比如内存泄漏、栈溢出等问题。希望本文对你有所帮助！