C++ 內存分配五大區域詳解 - 堆、棧、自由存儲區、全局/靜態區、常量區

C++ 程序內存佈局五大區域

詳細說明

1. 棧

• 位於用戶虛擬地址空間高地址，向低地址增長
• 函數調用時壓棧：返回地址、參數、局部變量、保存的寄存器
• 函數返回時彈棧，自動銷毀局部對象（調用析構函數）
• 大小有限（Linux 默認 8MB），棧溢出導致程序崩潰

2. 堆

• C++ 特有術語，對應 new/delete、new[]/delete[]
• 向高地址增長，非連續區域，由分配器管理空閒塊鏈表
• 程序員負責配對釋放，忘記 delete 導致記憶體洩漏
• 可動態擴展，受限於虛擬地址空間大小

3. 自由存儲區

• C 語言術語，對應 malloc/free/realloc
• 與堆在物理上通常是同一區域，但管理 API 不同
• 嚴禁混用：new 必須配 delete，malloc 必須配 free
• C++ 中 new 會調用構造函數，malloc 不會

4. 全局/靜態存儲區

• 分為 .data 段（已初始化）和 .bss 段（未初始化，自動清零）
• C++ 取消了 C 語言區分初始化/未初始化的區別，統一管理
• static 修飾局部變量：存儲在這裡，但作用域限於函數內
• 程序啟動時分配，結束時統一釋放

5. 常量存儲區

• 存放字符串字面值（"hello"）、const 全局/靜態變量
• 通常位於只讀內存頁（.rodata 段），寫入會觸發段錯誤
• 字符串字面值可能被編譯器合併（相同字符串共用地址）

代碼驗證範例

#include 
using namespace std;

int global = 10;           // .data 段
static int s_global = 20;  // .data 段（內部鏈接）
const int c_global = 30;   // .rodata 段

void func() {
    int local = 1;         // 棧
    static int s_local = 2; // .data 段
    const int c_local = 3;  // 棧（非靜態 const 不進常量區）
    
    int* p1 = new int(4);   // 堆
    int* p2 = (int*)malloc(sizeof(int)); // 自由存儲區
    *p2 = 5;
    
    cout << "local: " << &local << endl;      // 高地址
    cout << "s_local: " << &s_local << endl;  // 低地址
    cout << "p1 (heap): " << p1 << endl;      // 中間地址
    cout << "p2 (free): " << p2 << endl;      // 中間地址
    cout << "global: " << &global << endl;    // 低地址
    cout << "literal: " << "hello" << endl;   // 只讀區
    
    delete p1; free(p2);
}

工程最佳實踐

1. 優先使用棧/智能指針：std::vector, std::unique_ptr, std::shared_ptr 自動管理生命週期
2. 避免裸指針 new/delete：易洩漏、易雙重釋放、異常不安全
3. 大對象放堆：避免棧溢出
4. 常量正確性：盡量用 const、constexpr，利用編譯器優化與只讀保護