C++内存模型

目录

• C++内存模型
  • 存储持续性
  • 内存分配位置
  • 链接性
  • 作用域
  • 对于函数
  • 名称空间

C++内存模型

通常编译器使用三块独立的内存：一块用于静态变量（可能还会被细分）、一块用于自动变量、一块用于动态存储。

存储持续性

C++存储持续性有以下类别：

• 自动存储持续性：在函数定义中声明的变量（包括函数参数）。
• 静态存储持续性：在函数定义外定义的变量和使用关键字static定义的变量。
• 线程存储持续性（C++11）：使用关键字thread_local定义的。生命周期与线程一样长。
• 动态存储持续性：使用new运算符分配的内存将一直存在，直到使用delete运算符将其释放或程序结束为止。有时被称为自由存储/堆。

内存分配位置

• 自动存储变量：分配到栈中，在程序执行其所属的函数/代码块时被创建，执行完函数/代码块时所使用的内存被释放。

• 静态持续变量：分配到内存中固定位置，在程序整个运行过程中都存在。

  int global = 300;			// static duration, external linkage
  static int one_file = 50;	// static duration, internal linkage
  void funct1()
  {
      static int count = 0;	// static duration, no linkage
  }

  静态持续变量首先会被初始化为0，若有显示初始化，然后再进行静态初始化（编译器根据文件按内容算出值进行初始化）或动态初始化（编译后在初始化，通常是调用了函数）。局部静态持续变量并非像自动存储变量那样，它只初始化一次。

• 动态持续变量：使用new，会在堆中找到一个足以满足要求的内存块，不过也可使用定位new特性指定位置.

  #include <new>
  struct chaff
  {
      char dross[20];
      int slag;
  }
  char buffer[50];
  int main()
  {
      chaff *p = new (buffer) chaff;
  }

链接性

链接性为外部的变量称为外部变量，它们的存储持续性为静态。根据单定义规则，使用变量前需要声明，但只能定义一次。使用外部变量的文件中，必须先声明它，声明可分为两种：

• 引用声明/声明：不给变量分配存储空间，因为它引用已有的变量。使用extern关键字，且不进行初始化，否则为定义声明，导致分配存储空间。
• 定义声明/定义：他给变量分配存储空间。

如下示例，file01.cpp中全为定义，file02.cpp与file03.cpp全为声明。

// file01.cpp
extern int cats = 20;
int dogs = 22;
int fleas;
 
// file02.cpp
extern int cats;		
extern int dogs;
 
// file03.cpp
extern int cats;
extern int dogs;
extern int fleas;

注意：const修饰的外部变量的链接性为内部，可再次使用extern关键字将其变为外部。

extern const int states = 50;

作用域

• 自动存储变量：声明处到代码块结束。
• 静态存储变量：开头为声明处，若为外部链接和內部链接则结尾是文件末尾，若为无链接则结尾是代码块结束。

注意作用域可能会被同名的”相对局部变量“隐藏。

// file01.cpp
int errors = 20;
 
// file02.cpp
static int errors = 25;
void f()
{
    int errors = 30;
}

对于函数

函数的存储持续性都自动为静态，默认下链接性为外部，但可使用static关键字来修改为内部，使之只能作用于该文件。

static int private();
static int private()
{
    ...
}

内联函数不受单定义规则，意味着内联函数可放在头文件中被不同文件包含，各文件中均有定义，然而C++要求所有内联定义必须相同。

C++寻找函数的顺序：static函数在本身文件中寻找，否则先去所有程序文件中寻找，未找到去库文件中寻找。

修改语言链接性：

extern "C" void spiff(int);
extern void spoff(int);
extern "C++" void spaff(int);

名称空间

using声明和using编译是不一样的：使用了using声明时，就好像声明了相应的名称一样，如果某个名称已经在函数中声明了，则不能用using声明导入相同的名称。然而，使用using编译指令时，将进行名称解析，就像在包含using声明和名称空间本身最小的声明区域中声明了名称一样。

#include <iostream>
 
namespace Jill
{
    double fetch;
    struct Hill {};
}
double fetch;
int main()
{
    using namespace Jill;
    // fetch = 3.0;				// ERROR, global fetch and Jill::fetch
    double fetch;
    std::cin >> fetch;          // local fetch
    std::cin >> ::fetch;        // global fetch
    std::cin >> Jill::fetch;    // Jill::fetch
}
int foom()
{
    // Hill top;		// ERROR
    Jill::Hill crest;   // valid
}

如上述代码，名称空间为全局的，main中using编译指令，根据”名称空间本身最小的声明区域中声明“，Jill中的变量会在文件这个声明区域中声明。所以main中声明的fetch会隐藏在全局声明的fetch和Jill全局声明的fetch，不过可以使用相应的作用域解析运算符来使用变量。需要注意的是，虽然函数中的using编译指令将名称空间的名称视为在函数之外声明的，但它不会使得该文件中的其他函数都能使用这些名称。如foom中无法直接使用Hill来表示全局的Jill::Hill。

在默认情况下，在名称空间中声明的名称的链接性为外部的（除非它的引用了常量）。可使用匿名名称空间，此名称空间不能使用using声明和using编译指令，潜在作用域为从声明点到该声明区末尾。这相当于链接性为内部的静态变量附属品。