C++ 内存分区详解

C++ 程序运行时，内存通常被划分为以下几个主要区域：

1. 栈区（Stack）

特点：

由编译器自动分配和释放
存储局部变量、函数参数、返回地址等
先进后出（FILO）的数据结构
内存空间有限（通常几MB）
分配速度快

示例：

复制代码

void func() {
    int a = 10;          // a在栈上
    double b = 3.14;     // b在栈上
    char c = 'A';        // c在栈上
} // 函数结束，a,b,c自动释放

2. 堆区（Heap）/ 自由存储区（Free Store）

特点：

程序员手动分配和释放（C：malloc/free，C++：new/delete）
内存空间大，只受系统虚拟内存限制
分配速度较慢
需要防止内存泄漏

示例：

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int* p1 = new int(10);          // 在堆上分配一个int
int* arr = new int[100];        // 在堆上分配数组
double* p2 = new double(3.14);  // 在堆上分配double

delete p1;     // 手动释放
delete[] arr;  // 释放数组

3. 全局/静态存储区

包含：

A. 数据段（Data Segment）

.data段：已初始化的全局变量和静态变量
.bss段：未初始化或初始化为0的全局变量和静态变量（程序启动时自动清零）

B. 静态存储区

存储static变量（包括全局static和局部static）

特点：

在程序编译时分配
生命周期贯穿整个程序
程序结束时由系统释放

示例：

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int global_var = 100;           // .data段（已初始化全局变量）
int global_uninit;              // .bss段（未初始化全局变量）
static int static_global = 50;  // .data段（静态全局变量）

void func() {
    static int static_local = 30;  // 静态局部变量，在.data段
    // 只在第一次进入函数时初始化，保持值不变
}

4. 常量存储区

特点：

存储字符串常量、const修饰的全局常量
只读，不可修改
程序结束时由系统释放

示例：

复制代码

const int MAX_SIZE = 100;      // 可能存储在常量区（优化可能放入代码段）
const char* str = "Hello";     // "Hello"在常量区，str指针在栈或数据段

// 尝试修改会报错或导致未定义行为
// str[0] = 'h';  // 错误！常量区不可修改

5. 代码区（Text Segment）

特点：

存储程序的可执行代码（机器指令）
只读，防止程序意外修改自身指令
在内存中通常有固定位置

6. C++11 新增：线程局部存储区

特点：

每个线程有独立的存储空间
使用 thread_local 关键字声明

示例：

复制代码

thread_local int thread_var = 0;  // 每个线程都有自己的副本

内存布局图示

高地址

┌─────────────────┐

│ 栈区 │ ← 向下生长

├─────────────────┤

│ ... │

├─────────────────┤

│ 堆区 │ ← 向上生长

├─────────────────┤

│ .bss段 │ 未初始化全局/静态变量

├─────────────────┤

│ .data段 │ 已初始化全局/静态变量

├─────────────────┤

│ 常量区 │ 字符串常量等

├─────────────────┤

│ 代码区 │ 程序指令

└─────────────────┘

低地址

代码示例展示不同区域

复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

// 全局变量 - 数据段
int global_init = 100;        // .data段
int global_uninit;            // .bss段

// 常量 - 常量区
const int MAX = 1000;         // 常量区
const char* STR = "Hello";    // "Hello"在常量区，STR指针在.data段

void testMemory() {
    // 局部变量 - 栈区
    int local = 10;           // 栈区
    static int static_local = 20;  // .data段（静态局部变量）
    
    // 动态分配 - 堆区
    int* heap_var = new int(30);  // 堆区
    
    // 线程局部存储
    thread_local int tls_var = 40;  // 线程局部存储区
    
    cout << "栈变量地址: " << &local << endl;
    cout << "静态局部变量地址: " << &static_local << endl;
    cout << "堆变量地址: " << heap_var << endl;
    cout << "全局变量地址: " << &global_init << endl;
    cout << "常量地址: " << &MAX << endl;
    cout << "字符串常量地址: " << (void*)STR << endl;
    
    delete heap_var;
}

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

各区域比较表

区域	分配/释放	生命周期	大小限制	访问速度	存储内容
栈区	自动	函数作用域	较小(几MB)	最快	局部变量、参数
堆区	手动	直到delete	大(受系统限制)	慢	动态分配对象
数据段	编译时	程序运行期	中等	快	全局/静态变量
常量区	编译时	程序运行期	中等	快	常量、字符串字面量
代码区	编译时	程序运行期	中等	只读	程序指令

注意事项

栈溢出：递归过深或局部变量过大

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void recursive(int depth) {
    int arr[1000];  // 大量栈分配
    recursive(depth + 1);  // 可能栈溢出
}

内存泄漏：堆内存未释放

复制代码

void leak() {
    int* p = new int[100];  // 分配
    // 忘记 delete[] p;
}

悬空指针：访问已释放内存

复制代码

int* p = new int(10);
delete p;
*p = 20;  // 错误！p是悬空指针

多线程安全：
- 栈变量：每个线程独立，安全
- 全局/静态变量：需要同步机制
- 堆变量：需谨慎管理所有权