C++的内存模型，动态内存和智能指针相关总结

本文是C++的内存模型，动态内存和智能指针相关总结，适合复习和面试！

C++的基本内存模型

在大多数现代操作系统和硬件架构中，程序的内存布局从高地址到低地址的排序通常如下：

栈（Stack）:

栈位于内存的高地址部分，它向下增长，即向低地址方向扩展。栈用于存储局部变量、函数参数、返回地址等。它是一种具有后进先出（LIFO）特性的数据结构。每当一个函数被调用时，一个新的栈帧（Stack Frame）就会被创建，用于存储该函数的上下文信息。当函数执行完毕返回时，它的栈帧就会被销毁。

堆（Heap）:

堆紧随栈之下，位于中间的内存区域。堆向上增长，即向高地址方向扩展。堆用于动态内存分配。程序在运行时可以通过如new、delete、malloc、free等函数来分配和释放内存。堆的大小不是固定的，可以根据程序的需要动态扩展或收缩。堆的内存管理是程序员的责任，不当的管理可能导致内存泄漏等问题。

BSS段（Block Started by Symbol）:

BSS段用于存储程序中未初始化的全局变量和静态变量。在程序启动时，操作系统会将这部分内存初始化为零。BSS段的名字来源于早期汇编语言中的一个伪指令，表示从某个符号开始的一块内存区域。

数据段（Data Segment）:

数据段又称为初始化数据段，用于存储程序中初始化的全局变量和静态变量。这些数据在程序开始执行前由编译器和链接器分配，并在程序加载到内存时初始化。

代码段（Code Segment or Text Segment）:

代码段位于内存的低地址部分，包含程序的机器指令。代码段存储程序的可执行指令，也就是编译后的机器码。这部分内存通常是只读的，以防止程序代码被意外修改。代码段有时也被称为文本段。

高地址
+------------------+
| 栈（Stack） |
+------------------+
| 堆（Heap） |
+------------------+
| BSS段（未初始化数据）|
+------------------+
| 数据段（初始化数据）|
+------------------+
| 代码段（程序代码） |
+------------------+
低地址

动态内存与智能指针

C++编程中，动态内存分配是一个重要的概念，它允许程序在运行时分配内存。这是通过使用new和delete操作符来完成的，它们分别用于分配和释放内存。然而，手动管理动态分配的内存可能会导致错误，如内存泄漏（忘记释放内存）和悬垂指针（指向已释放内存的指针）。为了解决这些问题，C++引入了智能指针的概念。

智能指针是模板类，它们提供了类似于指针的接口，但是增加了自动内存管理的功能。使用智能指针，当智能指针超出作用域或被删除时，它们所指向的内存会自动被释放。C++标准库提供了几种不同类型的智能指针，每种都有其特定的用途：

1. std::unique_ptr: 它提供了对动态分配对象的独占所有权。这意味着std::unique_ptr不能被复制，只能被移动。当std::unique_ptr被销毁时，它所指向的对象也会被自动删除。它通常用于确保资源只被一个所有者拥有。

std::unique_ptr<int> ptr(new int(10));
// 使用 *ptr 访问值

2. std::shared_ptr: 它允许多个智能指针共享对同一个对象的所有权。std::shared_ptr使用引用计数来追踪有多少个智能指针指向同一个对象。当最后一个std::shared_ptr被销毁时，对象会被自动删除。

std::shared_ptr<int> ptr1(new int(10));
std::shared_ptr<int> ptr2 = ptr1;  // ptr1 和 ptr2 共享所有权

3. std::weak_ptr: 它设计用来解决std::shared_ptr的循环引用问题。std::weak_ptr不会增加引用计数，因此它不会阻止所指向的对象被销毁。它通常用于跟踪对象，但不需要拥有对象。

std::shared_ptr<int> ptr1(new int(10));
std::weak_ptr<int> ptr2 = ptr1;  // ptr2 不会增加 ptr1 的引用计数