【C++ 六】内存分区、引用

内存分区、引用

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前言

本文包含内存分区、引用基本使用、引用注意事项、引用做函数参数、引用做函数返回值、引用本质、常量引用。

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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

（1）、代码区：存放函数体的二进制代码，由操作系统进行管理的

（2）、全局区：存放全局变量和静态变量以及常量

（3）、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

（4）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：

（1）、存放 CPU 执行的机器指令

（2）、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

（3）、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：

（1）、全局变量和静态变量存放在此

（2）、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

// c-const   g-global   l-local(局部)#include <iostream>  // 包含标准输入输出流文件
using namespace std;  // 使用标准命名空间// 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() {// 局部变量int a = 10;int b = 10;// 打印地址cout << "局部变量a地址为： " << (int)&a << endl;  // 5961520：栈区cout << "局部变量b地址为： " << (int)&b << endl;  // 5961508cout << endl;cout << "全局变量g_a地址为： " << (int)&g_a << endl;  // 10272820：全局区cout << "全局变量g_b地址为： " << (int)&g_b << endl;  // 10272824cout << endl;// 静态变量；在普通变量前面加static，属于静态变量static int s_a = 10;static int s_b = 10;cout << "静态变量s_a地址为： " << (int)&s_a << endl;  // 10272828cout << "静态变量s_b地址为： " << (int)&s_b << endl;  // 10272832cout << endl;// 字符串常量cout << "字符串常量地址为： " << (int)&"hello world" << endl;  // 10263396cout << "字符串常量地址为： " << (int)&"hello world1" << endl;  // 10263404cout << endl;// const 修饰的常量// const 修饰的全局常量cout << "全局常量c_g_a地址为： " << (int)&c_g_a << endl;  // 10264208cout << "全局常量c_g_b地址为： " << (int)&c_g_b << endl;  // 10264212cout << endl;// const 修饰的局部常量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;  // 5961496：栈区cout << "局部常量c_l_b地址为： " << (int)&c_l_b << endl;  // 5961484cout << endl;system("pause");  // 相当于在本地 Windows 调试器中的：请按任意键继续...；暂停，方便看清楚输出结果return 0;  // 程序正常退出
}

1.2 程序运行后

栈区：

（1）、由编译器自动分配释放, 存放函数的参数值,局部变量等

（2）、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

#include <iostream>  // 包含标准输入输出流文件
using namespace std;  // 使用标准命名空间// 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和释放int* func(int b)  // int类型的指针，代表int类型的地址；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;   // 返回局部变量的地址
}int main() {// 利用指针，接收func函数的返回值，指针指向a数据地址int* p = func(1);cout << *p << endl;  // 10；*解引用        // 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;  // 267955168(乱码)   // 第二次这个数据就不再保留了system("pause");  // 相当于在本地 Windows 调试器中的：请按任意键继续...；暂停，方便看清楚输出结果return 0;  // 程序正常退出
}

堆区：

（1）、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

（2）、在C++中主要利用new在堆区开辟内存

#include <iostream>  // 包含标准输入输出流文件
using namespace std;  // 使用标准命名空间int* func()
{// 利用new关键字，可以将数据开辟到堆区// 指针本质也是局部变量，放在栈上，指针保存的数据是放在堆区int* a = new int(10);  // 返回内存编号地址；存放的也是地址；new int(10)return a;
}int main() {int* p = func();cout << *p << endl;  // 10cout << *p << endl;  // 10system("pause");  // 相当于在本地 Windows 调试器中的：请按任意键继续...；暂停，方便看清楚输出结果return 0;  // 程序正常退出
}

1.3 new 操作符

（1）、C++ 中利用 new 操作符在堆区开辟数据

（2）、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

（3）、语法： new 数据类型

（4）、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

#include <iostream>  // 包含标准输入输出流文件
using namespace std;  // 使用标准命名空间int* func()
{// 利用new关键字，可以将数据开辟到堆区// 指针本质也是局部变量，放在栈上，指针保存的数据是放在堆区int* a = new int(10);  // 返回内存编号地址；存放的也是地址；new int(10)return a;
}int main() {int* p = func();  // 10cout << *p << endl;  // 10cout << *p << endl;  // 10// 堆区的数据，由程序员管理开辟，程序员管理释放delete p;  // 利用delete释放堆区数据// cout << *p << endl; //报错，释放的空间不可访问；内存已被释放，再次访问就是非法操作，会报错system("pause");  // 相当于在本地 Windows 调试器中的：请按任意键继续...；暂停，方便看清楚输出结果return 0;  // 程序正常退出
}

示例2：开辟数组

#include <iostream>  // 包含标准输入输出流文件
using namespace std;  // 使用标准命名空间int main() {int* arr = new int[10];  // 10代表数组有10个元素for (int i = 0; i < 10; i++){arr[i] = i + 100;  // 给10个元素赋值 100~109}for (int i = 0; i < 10; i++){cout << arr[i] << " ";}cout << endl;// 释放数组 delete 后加 []delete[] arr;cout << endl;system("pause");  // 相当于在本地 Windows 调试器中的：请按任意键继续...；暂停，方便看清楚输出结果return 0;  // 程序正常退出
}

2 引用

2.1 引用基本使用

**作用： ** 给变量起别名

语法： 数据类型 &别名 = 原名

#include <iostream>  // 包含标准输入输出流文件
using namespace std;  // 使用标准命名空间int main() {int a = 10;// 数据类型 &别名 = 原名int& b = a;cout << "a = " << a << endl;  // 10cout << "b = " << b << endl;  // 10b = 100;cout << "a = " << a << endl;  // 100cout << "b = " << b << endl;  // 100cout << endl;system("pause");  // 相当于在本地 Windows 调试器中的：请按任意键继续...；暂停，方便看清楚输出结果return 0;  // 程序正常退出
}

2.2 引用注意事项

（1）、引用必须初始化

（2）、引用在初始化后，不可以改变

#include <iostream>  // 包含标准输入输出流文件
using namespace std;  // 使用标准命名空间int main() {int a = 10;int b = 20;// int &c;   // 错误，引用必须初始化int& c = a;  // 一旦初始化后，就不可以更改c = b;       // 这是赋值操作，不是更改引用cout << "a = " << a << endl;  // 20cout << "b = " << b << endl;  // 20cout << "c = " << c << endl;  // 20cout << endl;system("pause");  // 相当于在本地 Windows 调试器中的：请按任意键继续...；暂停，方便看清楚输出结果return 0;  // 程序正常退出
}

2.3 引用做函数参数

作用： 函数传参时，可以利用引用的技术让形参修饰实参

优点： 可以简化指针修改实参

#include <iostream>  // 包含标准输入输出流文件
using namespace std;  // 使用标准命名空间// 1、值传递
void mySwap01(int a, int b) {int temp = a;a = b;b = temp;
}// 2、地址传递
void mySwap02(int* a, int* b) {  // 传值使用&取值符，接收时用指针*int temp = *a;*a = *b;*b = temp;
}// 3、引用传递
void mySwap03(int& a, int& b) {  // 引用，&a相当于实参a的别名，别名与原名一致，修改别名a就相当于修改aint temp = a;a = b;b = temp;
}int main() {int a = 10;int b = 20;mySwap01(a, b);  // 值传递，形参不会修饰实参cout << "a:" << a << " \tb:" << b << endl;  // a:10 b:20mySwap02(&a, &b);  // 地址传递，形参会修饰实参cout << "a:" << a << " \tb:" << b << endl;  // a:20 b:10mySwap03(a, b);  // 引用传递，形参会修饰实参cout << "a:" << a << " \tb:" << b << endl;  // a:20 b:10 因为mySwap02()将实参修改了，在mySwap02()的基础上再进行更换cout << endl;system("pause");  // 相当于在本地 Windows 调试器中的：请按任意键继续...；暂停，方便看清楚输出结果return 0;  // 程序正常退出
}

2.4 引用做函数返回值

作用： 引用是可以作为函数的返回值存在的

注意： 不要返回局部变量引用

用法： 函数调用作为左值

#include <iostream>  // 包含标准输入输出流文件
using namespace std;  // 使用标准命名空间// 返回局部变量引用
int& test01() {int a = 10;  // 局部变量；存放在四区中的栈区；函数调用后将被释放return a;
}// 返回静态变量引用
int& test02() {static int a = 20;  // 静态变量，存放在全局区，全局区上的数据在程序结束后系统释放return a;
}int main() {// 不能返回局部变量的引用int& ref = test01();cout << "ref = " << ref << endl;cout << "ref = " << ref << endl;int& ref2 = test02();cout << "ref2 = " << ref2 << endl;  // 20cout << "ref2 = " << ref2 << endl;  // 20// 如果函数做左值，那么必须返回引用// 如果函数的返回值是引用，这个函数调用可以作为左值test02() = 1000;  // test02()调用后返回的是a的引用；相当于返回a这个变量；test02()返回的就是a的本身；相当于a=1000cout << "ref2 = " << ref2 << endl;  // 1000 ; ref2是a的别名；原名赋值为1000，使用别名ref2访问也是1000cout << "ref2 = " << ref2 << endl;  // 1000cout << endl;system("pause");  // 相当于在本地 Windows 调试器中的：请按任意键继续...；暂停，方便看清楚输出结果return 0;  // 程序正常退出
}

2.5 引用本质

本质： 引用的本质在c++内部实现是一个指针常量 （int * const p）

#include <iostream>  // 包含标准输入输出流文件
using namespace std;  // 使用标准命名空间// 发现是引用，转换为 int* const ref = &a;
void func(int& ref) {ref = 100;  // ref是引用，转换为*ref = 100
}int main() {int a = 10;// 自动转换为 int* const ref = &a; 指针常量是指针指向不可改，也说明为什么引用不可更改（指向a地址后，不可再指向b地址）int& ref = a;ref = 20;  // 内部发现ref是引用，自动帮我们转换为: *ref = 20；解引用cout << "a:" << a << endl;      // 20cout << "ref:" << ref << endl;  // 20cout << endl;system("pause");  // 相当于在本地 Windows 调试器中的：请按任意键继续...；暂停，方便看清楚输出结果return 0;  // 程序正常退出
}

结论：C++推荐用引用技术，因为语法方便，引用本质是指针常量，但是所有的指针操作编译器都帮我们做了

2.6 常量引用

作用： 常量引用主要用来修饰形参，防止误操作

在函数形参列表中，可以加 const修饰形参，防止形参改变实参

// 引用使用的场景，通常用来修饰形参#include <iostream>  // 包含标准输入输出流文件
using namespace std;  // 使用标准命名空间// 打印数据函数
void showValue(const int& v) {  // const修饰形参；形参引用//v += 10;  // 加const后，v的值不可修改会提示错误cout << v << endl;
}int main() {//int& ref = 10;  // 引用本身需要一个合法的内存空间（栈区、堆区数据），因此这行错误；10是常量，在常量区// 加入const就可以了，编译器优化代码，int temp = 10; const int& ref = temp;const int& ref = 10;// ref = 100;  //加入const后不可以修改变量；变为只读cout << ref << endl;  // 10// 函数中利用常量引用防止误操作修改实参int a = 10;  // 如果函数showValue()未加const，在函数内修改v，会将a的值也进行修改showValue(a);  // 10cout << endl;system("pause");  // 相当于在本地 Windows 调试器中的：请按任意键继续...；暂停，方便看清楚输出结果return 0;  // 程序正常退出
}

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总结

（1）、C++ 中在程序运行前分为全局区和代码区；

（2）、代码区特点是共享和只读；

（3）、全局区中存放全局变量、静态变量、常量；

（4）、常量区中存放 const 修饰的全局常量和字符串常量；

（5）、堆区数据由程序员管理开辟和释放；

（6）、堆区数据利用new关键字进行开辟内存；

（7）、通过引用参数产生的效果同按地址传递是一样的。引用的语法更清楚简单。