C++静态变量,常量的存储位置你真的了解吗


引言

动态内存、智能指针(Shared_Ptr、Unique_Ptr、Weak_Ptr)、动态数组的博客中,我提到:

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Linux虚拟内存管理:虚拟内存空间、虚拟内存分配的博客中,我提到:

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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你知道吗,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 newdelete 也许会按照 mallocfree 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C++ 中通过 newdelete 动态分配和释放对象的抽象概念,而 堆(heap)C语言操作系统 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
}

C++中的自然对应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

  • cconst 默认为外部连接c++const 默认为内部连接
  • 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。
  • 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
}

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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:

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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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这里证明了静态局部变量的特性:只初始化一次,并且只对定义自己的函数可见。 因此在上面的调用中,并不会出现因为两个静态局部变量名字相同而赋值出错的情况。

静态局部变量、静态全局变量、全局变量的异同
  1. 全局变量在整个工程文件内都有效,静态全局变量只在定义它的文件内有效;
  2. 静态局部变量只在定义它的函数内有效,且程序仅分配一次内存(之初始化一次),函数返回后,该变量不会消失;
  3. 全局变量静态变量如果没有手工初始化,则由编译器初始化为 0
  4. 静态局部变量静态全局变量 共享 数据段(或.BSS段)
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