C++变量内存分配及类型修饰符

前言

了解C++程序内存分配，有助于深刻理解变量的初始化值以及其生存周期。另外，变量类型修饰符也会影响到变量的初始化值及其生存周期。掌握了不同类型变量的初始化值及其生存周期，能够让我们设计程序时定义变量时更准确。

内存分配

1. C++程序的内存布局

现代电脑都是遵循冯诺依曼体系结构，所以C++程序的内存布局也是遵循该体系的。主要包括5个部分，即代码段、数据段、BSS段、堆和栈、。

1.
代码段

代码段（code segment/text segment），通常是指用来存放程序执行代码的一块内存区域。这部分区域的大小在程序运行前就已经确定，并且内存区域通常属于只读, 某些架构也允许代码段为可写，即允许修改程序。在代码段中，也有可能包含一些只读的常数变量，例如字符串常量等。另外关于字符串常量存储的位置，也与编译器有一定的关系，也有可能放在数据段。

2.
数据段

数据段（data
segment），通常是指用来存放程序中已初始化的全局变量/静态变量的一块内存区域。数据段属于静态内存分配。

3.
BSS段

BSS段（BSS segment），通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量/静态变量的一块内存区域。BSS是英文Block Started by Symbol的简称。BSS段属于静态内存分配。

4.
堆

堆（Heap），是用于存放进程运行中被动态分配的内存段，它的大小并不固定，可动态扩张或缩减。当进程调用malloc/new等函数分配内存时，新分配的内存就被动态添加到堆上（堆被扩张）；当利用free/delete等函数释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除（堆被缩减）。

5.
栈

栈（stack），栈也称堆栈，是用户存放程序临时创建的局部变量，也就是说我们函数括弧“{}”中定义的变量（但不包括static声明的变量，static意味着在数据段中存放变量）。除此以外，在函数被调用时，其参数也会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后，函数的返回值也会被存放回栈中。由于栈的先进后出特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上讲，我们可以把堆栈看成一个寄存、交换临时数据的内存区。压栈出栈，后压入栈的处在栈顶，所以最先出栈。也即后进先出（last-in，first-out，LIFO）。

2. 变量内存存储

按申请内存的方式不同，主要分为静态存储区和动态存储区。

1.
静态存储区

静态存储区内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。静态存储区主要包括只读存储区、已经初始化的全局变量/静态变量存储区和未初始化的全局变量/静态变量存储区。

2.
动态存储区

动态存储区内存是在程序运行的时候，根据需要动态分配的。动态存储区主要包括堆和栈。

低地址 高地址	只读存储区	静态存储区
已初始化的全局变量/静态变量存储区
未初始化的全局变量/静态变量存储区
堆区	动态存储区
栈区

int g_idx
= 10; // 已初始化的全局变量

int* g_pArr; // 未初始化的全局变量,其默认值为0

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

{

// nCnt存储在栈区

int nCnt
= 100;

// pPath存储在栈上,"c:\\work"是字符串常量存放在常量区

// pPath指向这个字符串常量,所以不能修改pPath指向的内容

char* pPath
= "c:\\work";

// 00411475 mov
dword ptr [pPath],offset string "c:\\work" (415754h)

// 已经初始化的静态变量

static int
nCurCnt = 1;

// pCnt存储在栈上,但pCnt指向的内存是在堆上分配的个int

char* pNewPath
= new char[10];

memset(pNewPath, 0, 10);

// 通过上下两段汇编代码可以看出,"c:\\work"被编译器优化成了同一个常量

strcpy_s(pNewPath, 10, "c:\\work");

//
004114A5 mov esi,esp

// 004114A7 push
offset string "c:\\work" (415754h)

delete[] pNewPath;

pNewPath = NULL;

return 0;

}

变量类型修饰符

1. const

概念：指使用类型修饰符const说明的类型，常类型的变量或对象的值是不能更新的。

语法形式：

限定非指针类型：下面两种形式作用一样，即变量为常量，不能修改。

int const MAX_DEVICE_CNT =
32;

const int MIN_DEVICE_CNT =
16;

限定指针类型：靠近谁就限定谁，可以理解为就近原则。

int nValue = 10;

const int* pPtr =
&nValue; // 限定pPtr指向的值，但不限定pPtr本身

int* const pValue =
&nValue; // 限定pValue本身,但不限定pValue指针的值

const int* const pV= &nValue; // 指针和值都限定

初始化：

i.
类的成员变量，初始化必须在构造函数初始化列表中完成。

ii.
其他情况，声明必须和定义在一起，即声明的同时进行定义。

作用域：

iii.
在函数体{}内，作用域为局部作用域。

iv.
作为类成员变量，作用域即为当前类。

v.
和static一起声明在类声明中，作用域为全局，通过类名访问。

vi.
在类/函数体外，作用域为文件作用域，即只能被当前文件所使用。

vii.
和static组合时，作用域不变，依然为文件作用域。

viii.
和extern组合时，那么此变量的作用域改变为全局的。

const extern int MIN_DEVICE_CNT =
16; // 声明定义

extern const int MIN_DEVICE_CNT =
16; // 声明定义

const extern int MIN_DEVICE_CNT; // 外部文件使用时声明

extern const int MIN_DEVICE_CNT; // 外部文件使用时声明

注：当前两个变量的访问形式相同，且作用域重叠，链接时，会报重复定义的错误。如果当前常量只想在当前文件内使用，请定义申明在当前CPP文件最前面。如果只想在当前类中使用，可以定义在类声明中。

2. static

概念：改变声明变量的生存周期为全局。

语法形式：Static不能和extern共用，且与const，类型(int等)可以随意位置。

const static int MIN_DEVICE_CNT;

static const int MIN_DEVICE_CNT;

int const static MIN_DEVICE_CNT;

初始化：全局变量/静态变量都存在静态存储区，指明初始化值和未指明初始化值都是可以的。如果未指明初始化值其默认值为0.

static int MIN_DEVICE_CNT =
16; // 初始化值为16

static int MIN_DEVICE_CNT; // 未初始化，默认内存值0

作用域：

ix.
在函数体{}内，作用域为局部作用域，只能为当前{}访问，但是生存期却为全局的，第2次访问时，不会再初始化，而是记住上次的值。

x.
作为类成员变量，作用域为全局，但是必须通过类名访问。

xi.
在类/函数体外，作用域为文件作用域，即只能被当前文件所使用。

注：如果1个变量只想在当前文件内使用，最好定义在CPP文件中。如果定义在头文件里，那么包含此头文件的CPP文件都会生成一个当前文件作用域的同名变量，不仅容易引起歧义，也浪费空间。

3.
extern

概念：声明当前变量已经在外部文件有定义。

语法形式： extern不能和static共用，且与const，类型(int等)可以随意位置。定义时加与不加extern均可，但声明的时候必须添加，否则会造成作用域重叠链接错误。另外extern与const的组合使用，见const条款。

int MAX_DEVICE_CNT = 32; // 文件A.cpp中的声明定义

extern int MAX_DEVICE_CNT = 32; // 文件A.cpp中的声明定义

extern int MAX_DEVICE_CNT; // 文件B.cpp中的声明定义

初始化：必须先有定义，也即需要初始化值，然后才能外部声明。

作用域：改变const的作用域，将const的文件作用域改为全局作用域。

注：全局数组变量的外部声明不能声明成指针，必须声明为数组类型。如：

int nArr[4] ={1, 2,
3, 4}; // 文件A.cpp中的声明定义

extern int nArr[4] ; // ok: 文件B.cpp中的声明定义

extern int nArr[]; // ok: 文件B.cpp中的声明定义

4. volatile

概念：告诉编译器限定的变量是易变的，不能被优化。

语法形式：volatile在语法形式上基本和const一样，可以和extern、const、static一起共用。在限定指针时，也分限定指针本身和指针指向的值。

int* volatile vip; // vip is a
volatile pointer to int

volatile int* ivp; // ivp is a pointer
to volatile int

volatile int* volatile ivp; // ivp is a
volatile pointer to volatile int

初始化：volatile限定不能被去掉，也即用取地址时也必须限定指针指向的值为volatile,否则编译错误。指针的取地址同样.

volatile int nValue = 4;

int* pInt =
&nValue; // error:不能更改nValue的volatile属性

volatile int* pValue = &nValue;
// ok:限定pValue指向的值,即没有改变nValue

作用域：不改变作用域。

注：什么时候使用volatile呢？这需要弄明白，什么时候不用volatile会出错。如：

void Square(int* pValue)

{

int nA = (*pValue);

// 004114FE
mov eax,dword ptr [pValue]

// 00411501
mov ecx,dword ptr [eax]

// 00411503
mov dword ptr [nA],ecx

int nB = (*pValue);

// 00411506
mov eax,dword ptr [pValue]

// 00411509
mov ecx,dword ptr [eax]

// 0041150B
mov dword ptr [nB],ecx

}

上面这是未优化的代码，分别从指向的内存取值。如果是优化过的代码，那么第二次取值就可能直接从寄存器中取值了，而不会再从内存里去取值了。如果在两次赋值之间，另外一个线程更改了pValue指向的值的时候，nB如果依然从寄存器中取值，实际上取得的是错误的值。这个时候，就需要限定pValue指向的值了。需要volatile int* pValue作为参数。这样，无论是nA，还是nB取得的值都真实的。所以，当有多个线程改变同一个变量时，这个变量就需要考虑使用volatile限定了。当然不加volatile也并不能保证当前线程里多次访问全局变量的值不被其他线程改变，要达到这样的效果，需要使用Critical Section、Mutex等线程锁手段来解决。