C++核心编程思路(1)：①程序的内存模型②引用的作用

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前言

在嵌入式学习和C语言开发中，已经无数次接触四大内存分区的概念了。
在计算机系统中，内存通常被划分为以下四个主要的分区：

代码区（Text Segment）：也称为只读区，用于存储程序的机器指令。在程序执行之前，代码区的内容就已经确定，并且在程序运行期间是不可修改的。

数据区（Data Segment）：用于存储全局变量和静态变量。数据区分为两个部分：初始化数据区和未初始化数据区。初始化数据区存储已经初始化的全局变量和静态变量，而未初始化数据区存储未初始化的全局变量和静态变量。

堆区（Heap）：用于动态分配内存。在程序运行时，可以通过动态内存分配函数（如malloc、new等）从堆区分配一块内存，然后在不需要时手动释放。

栈区（Stack）：用于存储函数调用时的局部变量、函数参数和返回地址等。栈区的内存分配和释放是由编译器自动完成的，遵循“先进后出”的原则。

以STM32的内存为例：其采用自上而下的栈结构。

一、不同的存储类型变量，会被存储在什么区？

#include <iostream>

using namespace std;

int a = 1;//全局变量
const int c = 3;//常量，它的值在程序运行期间是不可修改的。
static int d = 4;//全局的静态变量，它的作用域仅限于当前文件，其他文件无法访问到它。
int main() {

	int b = 2;//局部变量，它只在 main 函数中有效，离开 main 函数后就会被销毁。
	static int e = 5;//函数中的静态变量，它的作用域仅限于 main 函数内部，但它的生命周期会持续到程序结束

	cout << "&a = " << dec << (long)&a << endl;
	cout << "&c = " << dec << (long)&c << endl;
	cout << "&d = " << dec << (long)&d << endl;
	cout << "&b = " << dec << (long)&b << endl;
	cout << "&e = " << dec << (long)&e << endl;

	system("pause");
	return 0;
}

观察他们的地址，可以知道，全局变量、静态变量、常量地址非常靠近，说明他们被存储在同一个数据区。而局部变量则被存储在栈区。

①const修饰的局部变量放在栈区，全局变量放在只读数据区。

②static修饰的全局和局部变量都放在静态区（即数据区中的一个小区）

二、栈区

1.如果在函数A中定义了一个局部变量，那么在主函数里面是无法用取址符&去获取该局部变量的地址的。

取址符 & 用于获取变量的地址，但它只能在变量的作用域内使用。

2.return可以返回局部变量的值，但是不能返回局部变量的地址。

三、堆区：用new开辟内存空间，用delete销毁内存空间

①在C语言中，可以使用 malloc 函数来动态分配内存空间，并使用 free 函数来释放已分配的内存空间。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int));  // 动态分配一个 int 类型的内存空间
    *ptr = 10;                             // 在分配的内存空间中存储值

    // 使用分配的内存空间
    printf("%d\n", *ptr);

    free(ptr);  // 释放内存空间

    return 0;
}

②在C++中，可以使用 new 运算符来动态分配内存空间，并使用 delete 运算符来释放已分配的内存空间。

int* ptr = new int;  // 动态分配一个 int 类型的内存空间
*ptr = 10;          // 在分配的内存空间中存储值

// 使用分配的内存空间
cout << *ptr << endl;

delete ptr;         // 释放内存空间

③用new创建的堆区，返回的是这个堆区的地址，所以需要用一个指针去接收。

④new运算符的用法：

int* p = new int(10);//int后面是括号，这代表创建了一个整型变量，其值为10

	int* arr = new int[10];  // 动态分配一个含有10个元素的整型数组

	// 使用分配的数组
	for (int i = 0; i < 10; i++) {
		arr[i] = i + 1;
		cout << arr[i] << " ";
	}

	delete[] arr;  // 释放内存空间

三、c++中的引用是干嘛的？

①引用就是给一个变量起一个别名（小名），但是这两个名字代表的是同一块内存空间。

语法为：数据类型& 别名 = 本名;

	//1.创建一个变量
	int a = 10;

	//2.创建一个变量别名，即给一个变量起一个小名
	//语法为：数据类型 &别名=原名;
	int& b = a;

好比 name &小明 = 李明;
小明就是李明的别名，二者均指代这同一个人。
所以如果我修改别名b的值，那么同样a的值也会变，因为他们的内存空间是同一块。

②那变量和其别名的地址一样吗？

答：变量和其别名的地址是相同的。因为引用是变量的别名，它们共享相同的内存地址。在使用引用时，对引用的操作实际上就是对原始变量的操作。

③变量别名有啥用呢？就光是给变量起个小名吗？

答：主要有三个作用：

1.引用可以用作变量的别名，允许使用不同的名称访问同一个变量。

	int a = 1;

	int& b = a;

	b=10;

把b赋值为10，那么a也就相应的修改为10。

2.作为函数参数：引用可以作为函数的参数，允许在函数内部直接修改传递给函数的变量的值，这样可以避免复制大型对象的开销。（就是类似地址传递）

void add1(int *p1) {//指针的地址传递，切实改变实参
	*p1 += 1;
}

void add2(int& p2) {//引用的别名传递，同样切实的改变实参
	p2 += 1;
}

int main() {
	
	int a = 10;

	add1(&a);//地址传递，传参要取地址
	add2(a);//引用别名传递，直接是参数名，相当于int& p2 = a;

	system("pause");
	return 0;
}

那既然地址传递和引用别名传递都能切实的改变实参，那为什么要创造引用别名这一传递方式呢？地址传递不是也可以避免复制对象的开销吗？

答：
安全性和易用性：使用引用传递时，可以避免指针操作中的空指针和野指针问题，因为引用必须绑定到一个有效的对象上。同时，使用引用传递可以使代码更加简洁和易读，因为不需要使用 * 运算符来访问对象的值。

语义上的区别：引用传递更符合函数参数传递的语义，因为它表明函数需要访问原始对象，而不是创建对象的副本。而地址传递则更适用于需要在函数内部修改指针指向的对象的情况。

3.作为函数返回类型：函数的返回值被允许引用别名来代替。这样可以避免对象的复制开销，并且允许对返回的对象进行修改。

int& getLarger(int& a, int& b) {//函数的返回值,即返回值可以被允许引用别名
    if (a > b) {
        return a;
    }
    else {
        return b;
    }
}

int main() {
    int x = 5;
    int y = 10;
    int& larger = getLarger(x, y);//别名laeger作为函数的返回值
    cout << larger << endl;  // 输出10 ，因为 larger 引用的是 返回值y
    larger = 15;  // 修改 larger 所引用的对象
    cout << larger << endl;  // 输出 15，因为 larger 被修改成15了。
    return 0;
}

①引用作为函数返回值时，不能返回函数中的局部变量。

啥意思？就是说：如果我的函数里面int 了一个变量a，然后return a.

int& add(){
	int a=5;
	return a;
}

那么main函数接收时：

int& value=add();
 cout << value<< endl;  // 第一次输出5，因为编译器保留了结果
  cout << value<< endl;  // 第二次是随机值，因为局部变量被销毁后
  //那块内存空间就不存在了，所以别名value也不知道自己是谁的小名，就混乱了。

②函数的引用可以作为左值（即在等号左边）

int& add(){
	static int a=5;//修改成静态变量，就不会被销毁了。
	return a;
}

那么main函数接收时：

int& value=add();

add()=1000;//相当于a=1000;
value =1000;//也相当于a=1000；

四、引用的本质到底是什么？——指针常量

这里就涉及一个拗口的知识：
指针常量：指针是常量。指向不能变，里面的值可以变。
常量指针：常量的指针。指向可以变，里面的值是定值不能变。

引用的本质是一个指针常量，它在创建时被初始化为指向某个对象的地址，并且在其生命周期内不能被修改指向其他对象的地址

 //引用别名的本质：是一个指针常量
  int liming = 10;
  int& xiaoming = liming;//等效于： int* const xiaoming = &liming;
  int* const xiaoming = &liming;//定义一个指针常量，指向liming这个变量

  xiaoming = 15;//等效于：编译器认为就是：*xiaoming = 15;//解引用

五、函数参数传递时，用const修饰引用的参数别名。

const常量引用的用处：在函数参数中传递对象，以避免对象（在函数内部）被修改。

void print(const string& str) {
    str="666";//非法的，在函数内部，不能通过const修饰的参数别名来修改本身的变量s
    cout << str << endl;
}

int main() {
    string s = "Hello, world!";
    str="666";//合法的，因为字符串s本就是一个变量，可以进行修改
    print(s);
    return 0;
}

常量引用在函数参数中的应用非常常见，它可以避免对象被修改，同时也可以避免对象的复制，提高程序的效率。

总结：引用的最大用处一般是函数的传参，引用可以作为函数的参数，允许在函数内部直接修改传递给函数的变量的值，而无需通过指针或返回值来实现