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C++静态变量,常量的存储位置你真的了解吗

2024-04-02 19:55

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引言

在动态内存的博客中，我提到：

在这里插入图片描述

在Linux 内存管理的博客中，我提到：

在这里插入图片描述

尽管都有尽可能完全的描述，并且两者大致意思没有冲突。而之所以令我一直感到略有不同，越看越迷糊的原因是：第一张图讲的其实是C++在概念上对内存的划分，第二张图讲的是Linux对虚拟内存进行的划分。前者是概念上的，也是C++程序在运行时会切实执行的，而后者就是在Linux系统上对前者概念的具象化！下面进行进一步分析。

C++对内存的划分如何落实在Linux上

C++其实将内存划分为两种：动态存储区、静态存储区。

第一张图对动态存储区进行了进一步划分——堆、栈。

而网上其他博客可能还会对动态存储区进行进一步划分——堆、栈、自由存储区。并对静态存储区进行进一步划分——常量存储区、全局/静态存储区。

可谓是五花八门，我们不妨先做个归拢：

自由存储区和堆之间的问题

这篇博客分析地很详细C++ 自由存储区是否等价于堆？，我引用其中一些内容进行分析：

在概念上我们是这样区分两者的：

malloc 在堆上分配的内存块，使用 free 释放内存。
new 所申请的内存则是在自由存储区上，使用 delete 来释放。

那么物理上，自由存储区与堆是两块不同的内存区域吗？它们有可能相同吗？

基本上，所有的 C++编译器默认使用堆来实现自由存储，也即是缺省的全局运算符 new 和 delete 也许会按照 malloc 和 free 的方式来被实现，这时藉由 new 运算符分配的对象，说它在堆上也对，说它在自由存储区上也正确。但程序员也可以通过重载操作符，改用其他内存来实现自由存储，例如全局变量做的对象池，这时自由存储区就区别于堆了。

总结：

自由存储是 C++ 中通过 new 与 delete 动态分配和释放对象的抽象概念，而堆（heap）是 C语言和操作系统的术语，是操作系统维护的一块动态分配内存。
new 所申请的内存区域在 C++ 中称为自由存储区。藉由堆实现的自由存储，可以说 new 所申请的内存区域在堆上。
堆与自由存储区的运作方式不同、访问方式不同，所以应该被当成不一样的东西来使用。

如何落实在Linux上？

C++中的堆自然也就对应Linux中的堆段，而C++中的自由存储区，如果不主动改用其他内存来实现自由存储，那么理应也在堆段上。

而正如上面所言，堆段由程序员进行申请和释放：


int main(){
	int *pi = new int; 
	// pi指向一个动态分配的、未初始化的无名对象,该对象的地址位于堆上
	// 而pi的地址位于main函数的栈上
}

栈

C++中的栈自然对应Linux中的栈段，栈段是进程运行之初（从main函数开始）创建的，进程运行时（main函数中）每调用一个函数就会在栈段上申请一段空间作为栈帧，来管理调用函数的相关信息。


void fun(){
	int j = 2; // 调用fun时，j存在于fun的栈帧上
	cout << "hello" << endl;
}
int main(){ // 创建栈段
	int i = 1; // 存在于栈段上
	fun(); // 创建栈帧
}

常量区

c++ 中，一个 const 不是必需创建内存空间，而在 c 中，一个 const 总是需要一块内存空间。

常量分为全局常量和局部常量：

全局常量

是否要为 const全局变量分配内存空间，取决于这个全局常量的用途，如果是充当着一个值替换（将一个变量名替换为一个值），那么就不分配内存空间，不过当对这个全局常量取地址或者使用 extern 时，会分配内存，存储在只读数据段，是不能修改的。

因为全局变量在内存中的位置与全局常量一样，只不过没有 read only 属性，因此在这里也就一并提了，全局常量同样被分配到数据段上，但是可以修改。

PS：未初始化 或 初始化为0 的全局变量（包括全局常量）被分配在 .bss 段上，已初始化 的被分配在 数据段 上。

局部常量

1.对于基础数据类型，也就是 const int a = 10 这种，编译器会把它放到符号表中，不分配内存，当对其取地址时，会在栈段分配内存。

2.对于基础数据类型，如果用一个变量初始化局部常量，如果 const int a = b，那么也是会给 a 在栈段分配内存。

3.对于自定数据类型，比如类对象，那么也会在栈段分配内存。

题外话

1.c 中 const 默认为外部连接，c++ 中 const 默认为内部连接。

2.当 c 语言两个文件中都有 const int a 的时候，编译器会报重定义的错误。

3.而在 c++ 中则不会，因为 c++ 中的 const 默认是内部连接的。如果想让 c++ 中的 const 具有外部连接，必须显式声明为 extern const int a = 10 。

示例


const int lx = 5;
// 没有使用的时候仅保存在符号表
// 使用extern或取地址的时候为其在数据段的只读部分分配内存
// 个人猜测也有可能在代码段的.rodata。
int o = 6;
class A
{
    const int lz = 1; // 在栈段分配内存
public:
    void put() {
        cout << &lz << endl;
    }
};
int main() {
    A a;
    int x = 2; 
    // 对照main中的变量来确定其他常量的位置
    // 因为我们确定 x 在栈段上
    // 因此如果其他常量的地址与 x 的地址类似
    // 则说明其他常量也在栈段上
    const int z = 1; // 取地址时，会在栈段分配内存
    const int y = x; // 取地址时，会在栈段分配内存
}

在这里插入图片描述

静态存储区

静态变量分为：全局静态变量、局部静态变量。

而关于它们的存储位置，我在 Linux内存管理一文中已经说的很详细了，下面的静态变量包括全局静态变量和局部静态变量：

在这里插入图片描述

静态局部变量

猜测下面代码的输出结果：


void f(int) {
    static int i = 0;
    cout << &i << " " << ++i << endl;
}
void f(double) {
    static int i = 0;
    cout << &i << " " << ++i << endl;
}
int main() {
    f(1);
    f(1.0);
    f(1);
    f(1.0);
    f(1);
}

答案：

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