基于C++內存分配、函數調用與返回值的深入分析

2020-01-26 16:04:58

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供稿：網友

在談述函數調用和返回值問題之前，先來看看C++中內存分配的問題。
C++編譯器將計算機內存分為代碼區和數據區，很顯然，代碼區就是存放程序代碼，而數據區則是存放程序編譯和執行過程出現的變量和常量。數據區又分為靜態數據區、動態數據區，動態數據區包括堆區和棧區。
以下是各個區的作用：
(1)代碼區：存放程序代碼；
(2)數據區
a.靜態數據區: 在編譯器進行編譯的時候就為該變量分配的內存，存放在這個區的數據在程序全部執行結束后系統自動釋放，生命周期貫穿于整個程序執行過程。
b.動態數據區：包括堆區和棧區
堆區：這部分存儲空間完全由程序員自己負責管理，它的分配和釋放都由程序員自己負責。這個區是唯一一個可以由程序員自己決定變量生存期的區間?？梢杂胢alloc,new申請對內存，并通過free和delete釋放空間。如果程序員自己在堆區申請了空間，又忘記將這片內存釋放掉，就會造成內存泄露的問題，導致后面一直無法訪問這片存儲區域。
棧區：存放函數的形式參數和局部變量，由編譯器分配和自動釋放，函數執行完后，局部變量和形參占用的空間會自動被釋放。效率比較高，但是分配的容量很有限。
注意:
1)全局變量以及靜態變量存放在靜態數據區;
2)注意常量的存放區域，通常情況下，常量存放在程序區(程序區是只讀的，因此任何修改常量的行為都是非法的)，而不是數據區。有的系統，也將部分常量分配到靜態數據區，比如字符串常量(有的系統也將其分配在程序區)。但是要記住一點，常量所在的內存空間都是受系統保護的，不能修改。對常量空間的修改將造成訪問內存出錯，一般系統都會提示。常量的生命周期一直到程序執行結束為止。
在弄懂內存分配的問題過后，來看看函數調用的過程：
執行某個函數時，如果有參數，則在棧上為形式參數分配空間（如果是引用類型的參數則類外），繼續進入到函數體內部，如果遇到變量，則按情況為變量在不同的存儲區域分配空間（如果是static類型的變量，則是在進行編譯的過程中已經就分配了空間），函數內的語句執行完后，如果函數沒有返回值，則直接返回調用該函數的地方（即執行遠點），如果存在返回值，則先將返回值進行拷貝傳回，再返回執行遠點，函數全部執行完畢后，進行退棧操作，將剛才函數內部在棧上申請的內存空間釋放掉。
下面通過幾個例子來談談內存分配和函數返回值的問題：
內存分配的問題：

復制代碼代碼如下:

int a=1;           a在棧區
char s[]="123";    s在棧區，“123”在棧區，其值可以被修改
char *s="123";     s在棧區，“123”在常量區，其值不能被修改
int *p=new int;    p在棧區，申請的空間在堆區（p指向的區域）
int *p=(int *)malloc(sizeof(int)); p在棧區，p指向的空間在堆區
static int b=0;    b在靜態區

1.test1

復制代碼代碼如下:

#include<iostream>
using namespace std;
void test(int *p)
{
    int b=2;
    p=&b;
    cout<<p<<endl;
}
int main(void)
{
    int a=10;
    int *p=&a;
    cout<<p<<endl;
    test(p);
    cout<<p<<endl;
    return 0;
}

第一行輸出和第三行輸出的結果相同，而第一行、第三行與第二行輸出的結果不同。從這里可以看出，當指針作為參數進行傳遞時傳遞的也只是一個值，只不過該值只一個地址，因此對于形參的改變并不影響實參。
2.test2

復制代碼代碼如下:

#include<iostream>
using namespace std;
char* test(void)
{
    char str[]="hello world!";
    return str;
}
int main(void)
{
    char *p;
    p=test();
    cout<<p<<endl;
    return 0;
}

輸出結果可能是hello world!,也可能是亂麻。
出現這種情況的原因在于：在test函數內部聲明的str數組以及它的值"hello world”是在棧上保存的，當用return將str的值返回時，將str的值拷貝一份傳回，當test函數執行結束后，會自動釋放棧上的空間，即存放hello world的單元可能被重新寫入數據，因此雖然main函數中的指針p是指向存放hello world的單元，但是無法保證test函數執行完后該存儲單元里面存放的還是hello world，所以打印出的結果有時候是hello world，有時候是亂麻。
3.test3

復制代碼代碼如下:

#include<iostream>
using namespace std;
int test(void)
{
    int a=1;
    return a;
}
int main(void)
{
    int b;
    b=test();
    cout<<b<<endl;
    return 0;
}

輸出結果為 1
有人會問為什么這里傳回來的值可以正確打印出來，不是棧會被刷新內容么？是的，確實，在test函數執行完后，存放a值的單元是可能會被重寫，但是在函數執行return時，會創建一個int型的零時變量，將a的值復制拷貝給該零時變量，因此返回后能夠得到正確的值，即使存放a值的單元被重寫數據，但是不會受到影響。
4.test4

復制代碼代碼如下:

#include<iostream>
using namespace std;
char* test(void)
{
    char *p="hello world!";
    return p;
}
int main(void)
{
    char *str;
    str=test();
    cout<<str<<endl;
    return 0;
}

執行結果是 hello world!
同樣返回的是指針，為什么這里會正確地打印出hello world1？這是因為char *p="hello world!"，指針p是存放在棧上的，但是"hello world!”是一個常量字符串，因此存放在常量區，而常量區的變量的生存期與整個程序執行的生命期是一樣的，因此在test函數執行完后，str指向存放“hello world!”的單元，并且該單元里的內容在程序沒有執行完是不會被修改的，因此可以正確輸出結果。
5.test5

復制代碼代碼如下:

#include<iostream>
using namespace std;
char* test(void)
{
    char *p=(char *)malloc(sizeof(char)*100);
    strcpy(p,"hello world");
    return p;
}
int main(void)
{
    char *str;
    str=test();
    cout<<str<<endl;
    return 0;
}

運行結果 hello world
這種情況下同樣可以輸出正確的結果，是因為是用malloc在堆上申請的空間，這部分空間是由程序員自己管理的，如果程序員沒有手動釋放堆區的空間，那么存儲單元里的內容是不會被重寫的，因此可以正確輸出結果。
6.test6

復制代碼代碼如下:

#include<iostream>
using namespace std;
void test(void)
{
    char *p=(char *)malloc(sizeof(char)*100);
    strcpy(p,"hello world");
    free(p);
    if(p==NULL)
    {
        cout<<"NULL"<<endl;
    }
}
int main(void)
{
    test();
    return 0;
}

沒有輸出
在這里注意了，free()釋放的是指針指向的內存！注意！釋放的是內存，不是指針！這點非常非常重要！指針是一個變量，只有程序結束時才被銷毀。釋放了內存空間后，原來指向這塊空間的指針還是存在！只不過現在指針指向的內容的垃圾，是未定義的，所以說是垃圾。因此，釋放內存后應把把指針指向NULL，防止指針在后面不小心又被使用，造成無法估計的后果。

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