C++ 堆栈内存、引用和指针详解

C++ 堆栈内存、引用和指针详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_40653140/article/details/137168242

C++ 堆栈内存、引用和指针

在学习C++编程时，堆栈内存、引用和指针是三个非常重要的概念。它们不仅关系到程序的内存管理，还影响着程序的性能和安全性。本文将详细介绍这些概念及其相互关系。

一、堆和栈内存

在学习引用和指针之前，先要了解堆和栈内存的相关概念。

1.1、内存地址

一个打印内存地址的示例：（先声明变量，再用&获取地址）

#include <iostream>
using namespace std;
int main () {
int int_value = 1;
double double_value = 0.0;
char array_value[10];
cout << "address of int_value: " << &int_value << endl;
cout << "address of double_value: " << &double_value << endl;
cout << "address of array_value: " << &array_value << endl;
cout << "array_value[1]:" << &array_value + 1 << endl;
return 0;
}

代码解析：

1. 每一个变量都有一个内存位置，内存地址表示这个位置；
2. 用&符号可以获取变量地址
3. &array_value + 1不是值 +1，而是位置再 +1（下一个字节）
4. &array_value取的是 array_value[0] 的地址
5. 代码中获取的都是栈内存（没用 new 和 delete）
6. 上面每次运行的结果都不一定相同，因为地址是操作系统分配的。

1.2、内存布局

电脑可以有多个进程，这是其中一个进程的内存布局图。

可以看到有两个重点：

• static memory layout：存放全局或者静态数据
• dynamic memory layout：程序使用的内存-> stack（栈内存）+ heap（堆内存）

堆栈内存的对比：
使用场景举例：

1. 一些实时的变量，一般就会在栈内存中。因为不超过几十MB。
2. 如果是体积很大的数据（点云或者图像），就需要在堆内存申请。

堆内存用关键字new来创建，用关键字delete来释放
需要用栈内存上的一个变量（指针）来表示地址，来指向堆内存的位置并对堆内存上的对象进行管理

二、指针 - 管理变量地址的工具

2.1、指针基本总结

定义：指针（pointer）是一种特殊的变量，其值为内存地址。
作用：通过指针可以直接访问和操作内存中的数据。
声明语法：Type pointer_ame;，其中Type是指针所指向的数据类型，pointer_pame是指针变量名。
初始化：可以将指针初始化为某个变量的地址，也可以将其初始化为nullptr（空指针）。
取地址操作符：&，用于获取变量的地址。
解引用操作符：，用于访问指针所指向的数据。
长度：不管 Type 是什么，指针长度都是一样，都是一个代表内存地址的长的十六进制数。

示例代码：

#include <iostream>
using namespace std;
int main () {
int var = 20; // 实际变量的声明
int *ip; // 指针变量的声明
ip = &var; // 在指针变量中存储 var 的地址
cout << "Value of var variable: ";
cout << var << endl; // 输出在指针变量中存储的地址
cout << "Address stored in ip variable: ";
cout << ip << endl; // 访问指针中地址的值
cout << "Value of *ip variable: ";
cout << *ip << endl;
return 0;
}

2.2、指针的价值

在 C++ 中，指针的存在是为了提供更灵活的变量操作和内存管理方式：

1. 内存访问和操作：指针允许程序直接访问和操作内存地址。这对于底层编程（如操作系统或嵌入式系统开发）非常重要，因为它们需要精确控制内存和硬件。
2. 效率提升：通过指针，函数可以直接操作原始数据而不是其副本，这样可以避免不必要的数据复制，特别是对大型数据对象，可以显著提高程序的效率。
3. 动态内存分配：指针是动态内存分配的基础。
4. 实现数据结构：指针对于实现各种数据结构（如链表、树、图等）是必不可少的。
5. 多态和接口：在面向对象编程中，通过基类指针或引用，可以访问派生类的对象，实现多态行为。
6. 批量传递：C++函数默认只能返回一个值。通过使用指针，函数可以修改传入的变量，从而实现返
   回多个值的效果。

三、引用

概念：
引用（reference）是一个别名，它提供了对已存在变量的另一个名称。

• 声明语法：type& refName = var;，其中type是引用所引用的类型，refName是引用的名称，var是被引用的变量。
• 作用：ref 就是 y 的引用，意味着 ref 和 y引用了相同的内存地址，对其中一个的修改会影响到另一个。比如下面的例子， a 和 b 的地址完全一样。

int a = 111;
int& b = a;
cout << "b"<< b << endl;
cout << "address"<< &a <<" "<< &b << endl;

特性:

• 一旦初始化，不能重新绑定：引用一旦与某个变量绑定，就不能再改变其指向的变量。
  -不占用额外内存：引用不占用额外的内存空间，它只是变量的一个别名。
  -引用作为函数参数：引用可以作为函数的参数，通过引用参数可以直接修改函数外部的变量。

应用场景:

• 函数返回值：函数可以返回引用类型，使得可以返回函数内部的局部变量或临时对象。
  -函数参数传递：通过引用参数可以避免函数参数的拷贝，提高程序的效率。
  -函数返回值赋值：可以将函数返回的引用直接赋值给其他变量，提高代码的简洁性和可读性。

四、引用和指针的关系

• 指针可以为空（nullptr）；但引用不能，在定义时必须绑定一个变量。
• 指针和引用都是C++中非常有用的工具，但需要根据具体情况选择使用哪种。在大多数情况下，引用更安全、更易读，而指针则更灵活、更强大。
• 引用实际上就是用指针实现的：编译器将引用转换为对应的指针操作，并在编译过程中进行优化和替
  换。这样做的目的是为了让引用在语法上与指针有所区别，同时在底层实现上与指针相近，以保证引
  用的高效性和易用性。
• 几乎只有C/C++提供最直接的内存管理机制：指针，而其他语言不会让用户直接用指针管理、操作内存。
• 指针（包括引用）的优势在于提供了直接内存访问、动态内存分配、高效数据传递、与硬件直接交互
  的优势，但它也带来了内存错误、复杂性和安全性等挑战。