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基于C++内存分配、函数调用与返回值的深入分析

 更新时间：2020年4月25日 17:46  点击：1801
在谈述函数调用和返回值问题之前，先来看看C++中内存分配的问题。
C++编译器将计算机内存分为代码区和数据区，很显然，代码区就是存放程序代码，而数据区则是存放程序编译和执行过程出现的变量和常量。数据区又分为静态数据区、动态数据区，动态数据区包括堆区和栈区。
以下是各个区的作用：
(1)代码区：存放程序代码；
(2)数据区
a.静态数据区: 在编译器进行编译的时候就为该变量分配的内存，存放在这个区的数据在程序全部执行结束后系统自动释放，生命周期贯穿于整个程序执行过程。
b.动态数据区：包括堆区和栈区
堆区：这部分存储空间完全由程序员自己负责管理，它的分配和释放都由程序员自己负责。这个区是唯一一个可以由程序员自己决定变量生存期的区间。可以用malloc,new申请对内存，并通过free和delete释放空间。如果程序员自己在堆区申请了空间，又忘记将这片内存释放掉，就会造成内存泄露的问题，导致后面一直无法访问这片存储区域。
栈区：存放函数的形式参数和局部变量，由编译器分配和自动释放，函数执行完后，局部变量和形参占用的空间会自动被释放。效率比较高，但是分配的容量很有限。
注意:
1)全局变量以及静态变量存放在静态数据区;
2)注意常量的存放区域，通常情况下，常量存放在程序区(程序区是只读的，因此任何修改常量的行为都是非法的)，而不是数据区。有的系统，也将部分常量分配到静态数据区，比如字符串常量(有的系统也将其分配在程序区)。但是要记住一点，常量所在的内存空间都是受系统保护的，不能修改。对常量空间的修改将造成访问内存出错，一般系统都会提示。常量的生命周期一直到程序执行结束为止。
在弄懂内存分配的问题过后，来看看函数调用的过程：
执行某个函数时，如果有参数，则在栈上为形式参数分配空间（如果是引用类型的参数则类外），继续进入到函数体内部，如果遇到变量，则按情况为变量在不同的存储区域分配空间（如果是static类型的变量，则是在进行编译的过程中已经就分配了空间），函数内的语句执行完后，如果函数没有返回值，则直接返回调用该函数的地方（即执行远点），如果存在返回值，则先将返回值进行拷贝传回，再返回执行远点，函数全部执行完毕后，进行退栈操作，将刚才函数内部在栈上申请的内存空间释放掉。
下面通过几个例子来谈谈内存分配和函数返回值的问题：
内存分配的问题：
复制代码 代码如下:

int a=1;           a在栈区
char s[]="123";    s在栈区，“123”在栈区，其值可以被修改
char *s="123";     s在栈区，“123”在常量区，其值不能被修改
int *p=new int;    p在栈区，申请的空间在堆区（p指向的区域）
int *p=(int *)malloc(sizeof(int)); p在栈区，p指向的空间在堆区
static int b=0;    b在静态区

1.test1 
复制代码 代码如下:

#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;
}

第一行输出和第三行输出的结果相同，而第一行、第三行与第二行输出的结果不同。从这里可以看出，当指针作为参数进行传递时传递的也只是一个值，只不过该值只一个地址，因此对于形参的改变并不影响实参。
2.test2
复制代码 代码如下:

#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;
}

输出结果可能是hello world!,也可能是乱麻。
出现这种情况的原因在于：在test函数内部声明的str数组以及它的值"hello world”是在栈上保存的，当用return将str的值返回时，将str的值拷贝一份传回，当test函数执行结束后，会自动释放栈上的空间，即存放hello world的单元可能被重新写入数据，因此虽然main函数中的指针p是指向存放hello world的单元，但是无法保证test函数执行完后该存储单元里面存放的还是hello world，所以打印出的结果有时候是hello world，有时候是乱麻。
3.test3 
复制代码 代码如下:

#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;
}

输出结果为 1
有人会问为什么这里传回来的值可以正确打印出来，不是栈会被刷新内容么？是的，确实，在test函数执行完后，存放a值的单元是可能会被重写，但是在函数执行return时，会创建一个int型的零时变量，将a的值复制拷贝给该零时变量，因此返回后能够得到正确的值，即使存放a值的单元被重写数据，但是不会受到影响。
4.test4
复制代码 代码如下:

#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;
}

执行结果是 hello world!
同样返回的是指针，为什么这里会正确地打印出hello world1？这是因为char *p="hello world!"，指针p是存放在栈上的，但是"hello world!”是一个常量字符串，因此存放在常量区，而常量区的变量的生存期与整个程序执行的生命期是一样的，因此在test函数执行完后，str指向存放“hello world!”的单元，并且该单元里的内容在程序没有执行完是不会被修改的，因此可以正确输出结果。
5.test5
复制代码 代码如下:

#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;
}

运行结果 hello world
这种情况下同样可以输出正确的结果，是因为是用malloc在堆上申请的空间，这部分空间是由程序员自己管理的，如果程序员没有手动释放堆区的空间，那么存储单元里的内容是不会被重写的，因此可以正确输出结果。
6.test6
复制代码 代码如下:

#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;
}

没有输出
在这里注意了，free()释放的是指针指向的内存！注意！释放的是内存，不是指针！这点非常非常重 要！指针是一个变量，只有程序结束时才被销毁。释放了内存空间后，原来指向这块空间的指针还是存在！只不过现在指针指向的内容的垃圾，是未定义的，所以说是垃圾。因此，释放内存后应把把指针指向NULL，防止指针在后面不小心又被使用，造成无法估计的后果。
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