C++核心编程

本阶段主要针对C++面向对象编程技术做详细讲解,探讨C++中的核心和精髓。

1 内存分区模型

C++程序在执行时,将内存大方向划分为**4个区域**

* 代码区:存放函数体的二进制代码,由操作系统进行管理的
* 全局区:存放全局变量和静态变量以及常量
* 栈区:由编译器自动分配释放, 存放函数的参数值,局部变量等
* 堆区:由程序员分配和释放,若程序员不释放,程序结束时由操作系统回收

**内存四区意义:**

不同区域存放的数据,赋予不同的生命周期, 给我们更大的灵活编程

1.1 程序运行前

​ 在程序编译后,生成了exe可执行程序,**未执行该程序前**分为两个区域

​ **代码区:**

​ 存放 CPU 执行的机器指令

​ 代码区是**共享**的,共享的目的是对于频繁被执行的程序,只需要在内存中有一份代码即可

​ 代码区是**只读**的,使其只读的原因是防止程序意外地修改了它的指令

​ **全局区:**

​ 全局变量和静态变量存放在此.

​ 全局区还包含了常量区, 字符串常量和其他常量也存放在此.

​ ==该区域的数据在程序结束后由操作系统释放==.

**示例:

cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;

//全局区
// 
//全局变量
int g_a = 10;
int g_b = 10;
//全局常量
const int c_g_a = 10;
const int c_g_b = 10;
int main() {

	//创建普通局部变量
	int a = 10;
	int b = 10;
	cout << "局部变量a的地址为:" << (int)&a << endl;
	cout << "局部变量b的地址为:" << (int)&b << endl;

	//全局变量
	cout << "全局变量a的地址为:" << (int)&g_a << endl;
	cout << "全局变量b的地址为:" << (int)&g_b << endl;

	//静态变量
	static int s_a = 10;
	static int s_b = 10;
	cout << "静态变量s_a地址为: " << (int)&s_a << endl;
	cout << "静态变量s_b地址为: " << (int)&s_b << endl;

	//常量
	//字符串常量
	cout << "字符串常量地址为: " << (int)&"hello world" << endl;
	cout << "字符串常量地址为: " << (int)&"hello world1" << endl;
	//全局常量
	cout << "全局常量c_g_a地址为: " << (int)&c_g_a << endl;
	cout << "全局常量c_g_b地址为: " << (int)&c_g_b << endl;
	//局部常量
	const int c_l_a = 10;
	const int c_l_b = 10;
	cout << "局部常量c_l_a地址为: " << (int)&c_l_a << endl;
	cout << "局部常量c_l_b地址为: " << (int)&c_l_b << endl;

	system("pause");
	return 0;
}


#include <iostream>
using namespace std;

// ★★★★★ 全局区(Global/Static Area)★★★★★

// 1️⃣ 全局变量(Global Variables)
int g_a = 10;      // ✅ 全局区(.data 段)
int g_b = 10;      // ✅ 全局区(.data 段)

// 2️⃣ 全局常量(Global Constants)
const int c_g_a = 10;  // ✅ 常量区(Constants)
const int c_g_b = 10;  // ✅ 常量区(Constants)

int main() {
    // ★★★★★ 栈区(Stack)★★★★★
    
    // 3️⃣ 局部变量(Local Variables)
    int a = 10;        // ✅ 栈区
    int b = 10;        // ✅ 栈区
    
    // 4️⃣ 局部常量(Local Constants)
    const int c_l_a = 10;  // ✅ 栈区(注意!不是常量区!)
    const int c_l_b = 10;  // ✅ 栈区
    
    // ★★★★★ 全局/静态区(Static Area)★★★★★
    
    // 5️⃣ 静态变量(Static Variables)
    static int s_a = 10;  // ✅ 全局区(.data 段)
    static int s_b = 10;  // ✅ 全局区(.data 段)
    
    // ★★★★★ 常量区(Constants)★★★★★
    
    // 6️⃣ 字符串常量(String Literals)
    cout << "hello world";   // ✅ 常量区
    cout << "hello world1";  // ✅ 常量区
    
    // ... 输出地址
}


局部变量a的地址为:  15182748    ← 栈区(高地址)
局部变量b的地址为:  15182744    ← 栈区(相差4字节,相邻)

全局变量a的地址为:  4221232     ← 全局区(低地址)
全局变量b的地址为:  4221236     ← 全局区(相差4字节,相邻)

静态变量s_a地址为:  4221240     ← 全局区(和全局变量相邻)
静态变量s_b地址为:  4221244     ← 全局区(和全局变量相邻)

字符串常量地址为:  4349556     ← 常量区
字符串常量地址为:  4349568     ← 常量区(和全局常量相邻)

全局常量c_g_a地址为:4349580     ← 常量区
全局常量c_g_b地址为:4349584     ← 常量区

局部常量c_l_a地址为:15182736    ← 栈区(和局部变量相邻)
局部常量c_l_b地址为:15182732    ← 栈区

打印结果:

* C++中在程序运行前分为全局区和代码区

* 代码区特点是共享和只读

* 全局区中存放全局变量、静态变量、常量

* 常量区中存放 const修饰的全局常量 和 字符串常量

记忆口诀

全局静态放一起,程序开始到结束

局部变量在栈上,函数结束就回收

常量字符串只读区,全局常量也在那

局部常量在栈上,记住这个别搞错

栈上地址比较大,全局区地址比较小

重要结论总结

变量类型 存储区域 生命周期 地址特征
全局变量 全局区 程序启动→结束 地址小,固定
静态变量 全局区 程序启动→结束 地址小,固定
局部变量 栈区 函数开始→结束 地址大,每次运行可能不同
局部常量 栈区 函数开始→结束 地址大,和局部变量相邻
全局常量 常量区 程序启动→结束 地址中,只读
字符串常量 常量区 程序启动→结束 地址中,只读

1.2 程序运行后

​ **栈区:**

​ 由编译器自动分配释放, 存放函数的参数值,局部变量等

​ 注意事项:不要返回局部变量的地址,栈区开辟的数据由编译器自动释放

**示例:

cpp 复制代码
#include<iostream>
using namespace std;

//栈区数据注意事项--不要返回局部变量的地址
//栈区的数据由编译器管理开辟和释放

int* func(int b) //形参数据也会放在栈区
{
	b = 100;

	int a = 10;//局部变量 存放在栈区,栈区的数据在函数执行完后自动释放
	return &a;
}

int main() {
	//接收func函数的返回值

	int * p = func(1);
	cout << *p << endl;//第一次可以打印正确的数字,是因为编译器做了保留
	cout << *p << endl;//第二次这个数据就不再保留了



	system("pause");
	return 0;
}

正确做法

方法1:使用静态变量

cpp 复制代码
int* func() {
    static int a = 10;  // 静态变量在全局区,程序结束才释放
    return &a;          // ✅ 安全!
}

int main() {
    int* p = func();
    cout << *p << endl;  // 输出 10
    cout << *p << endl;  // 输出 10(安全)
    return 0;
}

方法2:使用动态内存(堆)

cpp 复制代码
int* func() {
    int* a = new int(10);  // 在堆上分配
    return a;              // ✅ 安全!但需要手动释放
}

int main() {
    int* p = func();
    cout << *p << endl;  // 输出 10
    cout << *p << endl;  // 输出 10
    delete p;            // ⚠️ 必须手动释放!
    return 0;
}

方法3:返回值而不是地址

cpp 复制代码
int func() {
    int a = 10;
    return a;  // ✅ 返回值(复制),不是返回地址
}

int main() {
    int value = func();
    cout << value << endl;  // 输出 10
    cout << value << endl;  // 输出 10
    return 0;
}

方法4:使用引用参数

cpp 复制代码
void func(int& result) {
    result = 10;  // 通过引用修改外部变量
}

int main() {
    int a = 0;
    func(a);
    cout << a << endl;  // 输出 10
    return 0;
}

堆区:

​ 由程序员分配释放,若程序员不释放,程序结束时由操作系统回收

​ 在C++中主要利用new在堆区开辟内存

**示例:

1.3 new操作符

​ C++中利用==new==操作符在堆区开辟数据

​ 堆区开辟的数据,由程序员手动开辟,手动释放,释放利用操作符 ==delete==

​ 语法:` new 数据类型`

​ 利用new创建的数据,会返回该数据对应的类型的指针

**示例1: 基本语法

cpp 复制代码
int* func() {
    int* a = new int(10);  // ① 在堆区分配内存
    return a;              // ② 返回堆内存地址
}

int main() {
    int *p = func();       // ③ p 指向堆内存
    cout << *p << endl;    // ④ 输出 10
    cout << *p << endl;    // ⑤ 再次输出 10
    delete p;              // ⑥ 释放堆内存
    // cout << *p << endl; // ⑦ 错误!内存已释放
    return 0;
}

核心要点:

  1. new 在堆区分配内存,返回地址

  2. 堆内存不会自动释放 ,必须手动 delete

  3. 函数返回堆内存地址是安全的(内存还在)

  4. delete 后指针变成野指针,不能再使用

  5. 堆内存的生命周期由程序员控制,可以跨函数

cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // 1. 基本类型
    int* pInt = new int(10);        // new int → 返回 int*
    double* pDouble = new double(3.14); // new double → 返回 double*
    char* pChar = new char('A');    // new char → 返回 char*
    
    // 2. 数组
    int* pArray = new int[5];       // new int[5] → 返回 int*(首元素地址)
    
    // 3. 结构体/类
    struct Student { string name; int age; };
    Student* pStu = new Student{"张三", 20}; // new Student → 返回 Student*
    
    // 4. 使用指针访问
    cout << *pInt << endl;          // 10
    cout << pArray[0] << endl;      // 数组方式访问
    cout << pStu->name << endl;     // 结构体成员访问
    
    // 释放内存
    delete pInt;
    delete pDouble;
    delete pChar;
    delete[] pArray;
    delete pStu;
    
    return 0;
}

**示例2:开辟数组

cpp 复制代码
//堆区开辟数组
int main() {

    int* arr = new int[10];

    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        arr[i] = i + 100;
    }

    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        cout << arr[i] << endl;
    }
    //释放数组 delete 后加 []
    delete[] arr;

    system("pause");

    return 0;
}

完整代码:

cpp 复制代码
#include<iostream>      // 引入输入输出流头文件
using namespace std;     // 使用标准命名空间

// ========== 1. new 的基本语法(单个变量) ==========
// 函数功能:在堆区创建并返回一个 int 类型的数据
int* func() {
    // 在堆区创建整型数据
    // new返回的是该数据类型的指针(int*)
    int* p = new int(10);  // 在堆区分配 4 字节,存储值 10,返回地址
    return p;              // 返回堆内存地址给调用者
}

// 测试函数:演示单个变量的 new 和 delete
void test01()
{
    int* p = func();       // p 接收堆内存地址(假设是 0x1000)

    // 多次访问堆内存中的数据(多次解引用)
    cout << *p << endl;    // 第一次:输出 10
    cout << *p << endl;    // 第二次:输出 10(内存还在)
    cout << *p << endl;    // 第三次:输出 10
    cout << *p << endl;    // 第四次:输出 10

    // 堆区的数据由程序员管理开辟,程序员管理释放
    // 如果想释放堆区的数据,利用关键字 delete
    delete p;              // 释放 0x1000 地址的内存

    // cout << *p << endl; // ❌ 内存已被释放,再次访问是非法操作,会报错
}

// ========== 2. 在堆区利用 new 开辟数组 ==========
void test02() {
    // 创建容量为 10 的整型数组,在堆区分配
    int* arr = new int[10];  // 10 代表数组有 10 个元素
    // new int[10] 返回 int*,指向数组首元素地址

    // 给数组元素赋值
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        arr[i] = i + 100;    // 给 10 个元素赋值:100-109
        // arr[i] 等价于 *(arr + i)
    }

    // 打印数组元素
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        cout << arr[i] << endl;  // 输出 100 到 109
    }

    // 释放数组:delete 后加 []
    delete[] arr;            // 释放整个数组内存
}

int main() {

    test01();   // 测试单个变量
    test02();   // 测试数组

    system("pause");
    return 0;
}

2 引用

2.1 引用的基本使用

**作用: **给变量起别名

**语法:** `数据类型 &别名 = 原名`

**示例: