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基於C++內存分配、函數調用與返回值的深入分析

編輯:C語言基礎知識
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後系統自動釋放,生命周期貫穿於整個程序執行過程。
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。可以用malloc,new申請對內存,並通過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,就會造成內存洩露的問題,導致後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,函數執行完後,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後,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後,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,函數全部執行完畢後,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:
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 
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。從這裡可以看出,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,因此對於形參的改變並不影響實參。
2.test2
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於: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函數執行結束後,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函數執行完後該存儲單元裡面存放的還是hello world,所以打印出的結果有時候是hello world,有時候是亂麻。
3.test3 
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
有人會問為什麼這裡傳回來的值可以正確打印出來,不是棧會被刷新內容麼?是的,確實,在test函數執行完後,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,因此返回後能夠得到正確的值,即使存放a值的單元被重寫數據,但是不會受到影響。
4.test4
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,為什麼這裡會正確地打印出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函數執行完後,str指向存放“hello world!”的單元,並且該單元裡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
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,那麼存儲單元裡的內容是不會被重寫的,因此可以正確輸出結果。
6.test6
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
在這裡注意了,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。釋放了內存空間後,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,釋放內存後應把把指針指向NULL,防止指針在後面不小心又被使用,造成無法估計的後果。
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