详解C/C++内存区域划分(简而易懂)

在C/C++程序运行期间，内存会被划分为不同的段，每个段有不同的使用方式和属性。

内存划分

栈（stack）

栈是一种在程序运行时内存自动分配和释放的区域，它存储程序执行过程中的各种变量。栈的特点是先进后出，后进先出，因此被称为“后进先出”（LIFO）。

栈的大小是有限的，一般来说，栈的大小在几兆到几十兆之间，超过这个范围就会引起“栈溢出”错误。

以下是一个使用栈进行递归运算的示例：

int factorial(int n) {
  if (n == 0) {
    return 1;
  } else {
    return n * factorial(n - 1);
  }
}

int main() {
  int n = 5;
  int result = factorial(n);
  printf("%d! = %d\n", n, result);
  return 0;
}

在以上示例中，递归调用 factorial 函数时，每次调用会在栈上分配一块内存，用于存储参数和局部变量。当函数执行结束后，这段内存会被释放，供后续调用使用。

堆（heap）

堆是程序运行时动态分配内存的区域，也就是所有通过 malloc、calloc、realloc、new 等操作申请的内存空间都在堆中。

堆的大小一般比较大，可以达到几百兆甚至几个GB，因此内存泄露（没有及时释放堆内存）会导致严重的系统性能问题。

以下是一个使用 malloc 动态分配内存的示例：

int main() {
  int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
  *p1 = 123;
  printf("*p1 = %d\n", *p1);

  int* p2 = (int*) malloc(sizeof(int) * 3);
  p2[0] = 1;
  p2[1] = 2;
  p2[2] = 3;
  printf("p2[0] = %d, p2[1] = %d, p2[2] = %d\n", p2[0], p2[1], p2[2]);

  free(p1);
  free(p2);

  return 0;
}

在以上示例中，通过 malloc 分配了两次内存空间，其中 p1 的大小为 sizeof(int)，而 p2 的大小为 sizeof(int) * 3，即三个整数的大小。最后通过 free 函数释放了分配的内存空间。

数据段（data segment）

数据段是程序运行时存储全局变量和静态变量的区域，它在程序加载时分配并初始化。

对于全局变量和静态变量，它们都有默认的初始值，如果没有显式初始化，则会默认为0。

以下是一个在数据段中存储全局变量和静态变量的示例：

#include <stdio.h>

int global_var;

int main() {
  static int static_var;
  printf("global_var = %d\n", global_var);
  printf("static_var = %d\n", static_var);
  global_var = 123;
  static_var = 456;
  printf("global_var = %d\n", global_var);
  printf("static_var = %d\n", static_var);
  return 0;
}

在以上示例中，global_var 是一个全局变量，在程序加载时会将其初始化为0，static_var 是一个静态变量，在程序运行时会将其初始化为0。最后通过赋值修改了它们的值。

代码段（code segment）

代码段是存储程序指令的区域，它在程序加载时被分配，并在程序执行过程中运行，同时会受到操作系统的保护。

以下是一个使用代码段存储指令的示例：

#include <stdio.h>

int main() {
  printf("Hello, world!\n");
  return 0;
}

在以上示例中，printf 函数的指令就存储在代码段中，程序运行时会从代码段中读取指令并执行。

总结

本文介绍了C/C++程序在运行时内存的划分方式，包括栈、堆、数据段和代码段四个部分。在实际编程中，了解这些内存区域的使用方式和限制，有助于更好地编写高效、可靠的程序，避免一些常见的内存问题。