核心要点速览

  • 五大分区：栈（临时空间，自动管理）、堆（动态空间，手动管理）、全局 / 静态区（持久空间）、常量存储区（只读）、代码区（指令存储）
  • 关键点：各分区存储内容 / 生命周期 / 分配方式、栈与堆的区别、const 变量存储位置、线程局部存储特性
  • 补充：全局 / 局部 / 静态局部 / 静态全局变量的存储、生命周期及作用域差异

一、五大内存分区

1. 栈（stack）：函数调用的临时空间

  • 存储内容：函数内局部变量（非 static）、函数参数、返回地址（调用后需返回的下一条指令地址）、寄存器上下文（函数调用时保存的 CPU 寄存器状态）
  • 生命周期：随函数调用创建，函数执行结束后自动释放（无需手动干预）
  • 特点：
    • 分配效率：编译器通过移动栈顶指针（SP 寄存器）完成分配 / 释放，效率极高
    • 内存特性：地址连续（栈帧结构），生长方向向下（从高地址向低地址扩展）
    • 大小限制：默认固定（通常 1-8MB，可通过编译器 / 操作系统配置），超出则触发栈溢出
    • 初始化：未初始化的局部变量值为 “垃圾值”（随机值，取决于内存历史数据）

2. 堆（heap）：动态分配的手动管理空间

  • 存储内容：通过new/malloc/new[]/calloc等动态分配的内存
  • 生命周期：从手动分配开始，到delete/free/delete[]手动释放结束；若未释放，仅在程序终止后由操作系统回收（运行时不会自动释放）
  • 特点：
    • 分配效率：需通过内存分配算法查找空闲块，效率低于栈
    • 内存特性：地址不连续（受空闲块分布影响），生长方向向上（从低地址向高地址扩展，与栈相反）
    • 大小灵活性：理论上可接近系统可用内存（GB 级），适合存储大尺寸 / 生命周期不确定的数据
    • 潜在问题：
      • 内存碎片：频繁分配 / 释放不同大小的块，导致空闲块分散，无法满足大内存分配需求
      • 内存泄漏：未释放已不再使用的堆内存，导致可用内存逐渐减少
      • 野指针：释放后未置空的指针，继续访问会触发未定义行为（崩溃、数据篡改）
      • 重复释放：对同一指针多次调用delete/free，导致堆结构损坏

3. 全局 / 静态存储区

  • 存储内容：
    • 全局变量（定义在函数外部的变量）
    • 静态变量：
      • 全局静态变量（定义在函数外）
      • 局部静态变量（定义在函数内）
  • 生命周期：从程序加载（main函数执行前）到程序终止（main函数执行后），由操作系统自动分配和释放
  • 特点：
    • 分配时机：编译期确定大小，程序启动时由操作系统一次性分配
    • 初始化：未显式初始化的变量会被自动置 0（区别于栈的 “垃圾值”），显式初始化则在程序启动前完成（早于main）
    • 作用域差异：
      • 全局变量：作用域为整个程序（其他文件可通过extern声明访问）
      • 全局静态变量：作用域仅限当前文件（避免跨文件命名冲突）
      • 局部静态变量：作用域仅限定义它的函数内部（但生命周期为程序全程）
    • 初始化特性：局部静态变量仅在第一次进入函数时初始化，后续调用不再重复初始化

4. 常量存储区

  • 存储内容：
    • 字符串常量
    • 全局const常量（定义在函数外）
  • 生命周期：程序全程（从加载到终止）
  • 特点：
    • 只读属性：尝试修改会触发未定义行为（通常为程序崩溃，因内存被标记为只读）
    • 优化共享：相同字符串常量可能被编译器合并（如const char* p1 = "abc"; const char* p2 = "abc";，p1与p2指向同一地址，节省内存）
    • 易混淆：
      • 局部const变量（如函数内的const变量）存储在栈上（仅限制修改，生命周期同局部变量，本质是栈内存）
      • 数组初始化拷贝：char arr[] = "hello";中，"hello"在常量区，但数组arr在栈上（编译器会将常量区的字符串拷贝到栈数组中，修改arr元素是合法的）

5. 代码区

  • 存储内容：程序的机器指令（二进制代码）、只读数据（如常量表达式计算结果）
  • 生命周期：程序全程（从加载到终止）
  • 特点：
    • 只读保护：操作系统会将代码区标记为只读，防止意外修改指令（如缓冲区溢出攻击）
    • 共享性：多进程 / 线程运行同一程序时，共享同一份代码区（仅数据区独立），大幅节省内存
    • 加载方式：程序启动时，由操作系统从磁盘可执行文件（如.exe/.out）加载到内存，与数据区分离存储

二、对比表

分区 存储内容 生命周期 分配方式 管理方式
栈 局部变量、参数、返回地址 函数调用期间 编译器自动 自动释放
堆 动态分配内存（new/malloc） 手动分配→手动释放 程序员手动 手动释放（delete/free）
全局 / 静态存储区 全局变量、静态变量 程序全程 编译期分配 程序结束自动释放
常量存储区 字符串常量、全局 const 常量 程序全程 编译期分配 程序结束自动释放
代码区 机器指令、只读数据 程序全程 程序加载时 只读不修改

三、线程局部存储（thread_local）

  • 存储内容：由thread_local修饰的变量（线程私有变量，C++11 引入）
  • 生命周期：与线程绑定（线程创建时初始化，线程结束时自动释放）
  • 特点：
    • 线程隔离性：每个线程拥有独立副本，修改当前线程的变量不影响其他线程（解决多线程全局变量竞争问题）
    • 作用域：同普通变量（可定义为全局或局部），但仅对当前线程可见
    • 初始化：若为局部thread_local变量，每个线程第一次进入作用域时初始化一次
    • 示例：
1
2
thread_local int t_val = 0; // 每个线程有独立的t_val
void func() { t_val++; } // 线程1调用后t_val=1，线程2调用后t_val=1（互不影响）

四、问答

1. 全局 / 局部 / 静态变量的区别？

变量类型 存储分区 生命周期 作用域
全局变量 全局 / 静态存储区 程序全程 整个程序（跨文件可访问）
静态全局变量 全局 / 静态存储区 程序全程 仅限当前文件
局部变量 栈 函数调用期间 仅限函数内部
静态局部变量 全局 / 静态存储区 程序全程 仅限函数内部

2. const 变量一定在常量区吗？

不一定：

  • 全局 const：常量区（只读，程序全程）；
  • 局部 const：栈上（仅限制修改，生命周期同局部变量）；
  • static const：全局 / 静态存储区（程序全程）。

3. 栈和堆的差异？

  • 管理：栈自动、堆手动；
  • 效率：栈 > 堆；
  • 连续性：栈连续、堆不连续；
  • 生命周期：栈随函数、堆随手动释放；
  • 大小：栈小且固定、堆大且灵活。