C++内存分区

C++内存分区

进程地址空间是指进程能够访问的虚拟地址范围。在大多数操作系统中（如 Linux、Windows 等），进程地址空间被划分为两个主要部分：

1. 用户态（用户区）
2. 内核态（内核区）

以 32 位 Linux 为例（3G/1G 分布）：

区域	地址范围	所属空间	说明
用户区	0x00000000 ~ 0xBFFFFFFF	用户态	上面图里的部分
内核区	0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF	内核态	所有进程共享，进程无法访问

内核区是操作系统在每个进程虚拟地址空间中保留的一块地址范围，用来存放内核代码、数据、驱动程序和关键内核结构（如进程控制块PCB）。这部分地址对所有进程共享映射，但普通用户态进程无法访问，只有进入内核态时才能操作，保证系统安全和资源管理统一。

以下只讨论用户区。

内存结构图示意

+-------------------------+
| 栈 Stack                  | <--- 高地址                             |
| ------------------------- |
| 空间 (可能是库)           |
| ------------------------- |
| 堆 Heap                   | <--- malloc/new分配从低地址往高地址扩展 |
| ------------------------- |
| BSS（未初始化全局变量）   |
| ------------------------- |
| Data（已初始化全局/静态） |
| ------------------------- |
| Text（代码区）            | <--- 低地址                             |
+-------------------------+

这个结构描述的是 一个 C/C++ 程序在进程中的典型虚拟内存布局（即进程地址空间结构）。这是一种逻辑视图，不是物理内存，而是操作系统为每个进程划分的虚拟地址空间。

1. 代码区（Text Segment）

• 内容：程序的机器指令（即编译后的可执行代码）。

• 特点：

  • 通常是只读的，防止程序意外修改指令。

  • 多个相同程序的进程之间可以共享这块区域（节省内存）。

2. 全局/静态区（Data Segment）

分为两部分：

已初始化全局变量和静态变量区（Initialized Data Segment）

• 内容：被初始化的全局变量和静态变量。

  int a = 10;  // 已初始化全局变量
  static int b = 20;  // 已初始化静态变量
  

未初始化全局变量和静态变量区（BSS Segment）

• 内容：未显式初始化的全局变量和静态变量（系统自动初始化为 0）。

  int a;        // 未初始化全局变量，位于 BSS 段
  static int b; // 未初始化静态变量，位于 BSS 段
  

3. 栈区（Stack Segment）

• 内容：函数调用过程中的局部变量、函数参数、返回地址、保存的寄存器等。

• 特点：

  • 自动分配和释放，由编译器管理。

  • 遵循先进后出（FILO）的原则。

  • 大小受限，容易造成栈溢出（如递归过深）。

void func() {
    int x = 10;  // 局部变量，位于栈上
}

4. 堆区（Heap Segment）

• 内容：动态分配的内存（程序运行时用 new 或 malloc 分配的）。
• 特点：
  • 手动管理（需要使用 free 或 delete 释放）。
  • 大小较大，但容易造成内存泄漏。
  • 分配和释放效率相对较低，碎片化风险高。

int* p = new int[100];  // 动态申请的内存，在堆上
delete[] p;             // 释放

5. 常量区（Literal or Constant Segment）

• 内容：程序中的常量，比如字符串常量、const 修饰的全局变量（有时实现上会被放入代码段）。

const int c = 100;    // 有些实现中在常量区
char* str = "hello";  // 字符串常量位于常量区

举个例子总结

#include <iostream>
using namespace std;

int global_a = 10;      // 已初始化全局变量 → Data Segment
int global_b;           // 未初始化全局变量 → BSS Segment

const int global_c = 30; // 常量 → 可能在常量区

int main() {
    int local_var = 5;    // 局部变量 → 栈区
    static int static_var = 20; // 静态变量 → Data Segment
    int* heap_var = new int(100); // 动态分配 → 堆区

    cout << *heap_var << endl;

    delete heap_var; // 手动释放堆内存
    return 0;
}

各分区的实现细节依赖操作系统和编译器，例如：

• Windows 和 Linux 的地址布局可能不同；
• const 局部变量通常还是在栈上；
• const char* 指向的字符串常量位于常量区，但变量本身在栈上。

更精细的程序内存结构图（以 Linux 为例）

+---------------------------+
| 栈（stack）                 | <-- 高地址     |
| --------------------------- |
| 共享库映射区                |
| --------------------------- |
| 堆（heap）                  |
| --------------------------- |
| .bss（未初始化全局变量）    |
| --------------------------- |
| .data（已初始化的全局变量） |
| --------------------------- |
| .rodata（只读常量）         | ← 常量就在这里 |
| --------------------------- |
| .text（代码段）             | <-- 低地址     |
+---------------------------+

之前的内存结构示意图为何没有常量区：

• 图中没画常量区，是因为“常量”不是操作系统层面一个独立的内存段；

• 常量通常在 .rodata（只读数据段），属于数据段一部分；

• 在教学中，为了方便理解会说“常量区”，但实际它们会被链接到 .rodata 并映射为只读内存页面。