C++ day13 内存模型（一）存储持续性、作用域

谁践踏了优雅 2023-07-13 04:07 44阅读 0赞

本文讨论内存方案，会讲很多存储类别，部分内容和C是一样的或者相近，比如作用域，存储持续性，链接，但是也新增了很多东西，比如名称空间，定位new运算符。

这里提供三篇之前的博客，也是讲内存和存储方案的：  
[内存管理，存储类别，链接（一）][Link 1]

[内存管理，存储类别，链接（二）][Link 2]

[动态结构，存储类型，数组替代品][Link 3]

C++在内存中存储数据也是很灵活的，你可以选择数据在内存的滞留时间，即存储的持续性或者说是生命周期；还可以控制程序的哪些部分可以访问数据，哪些部分不能访问，也可以用名称空间来控制访问权；还可以用new即时地在运行阶段动态分配内存；定位new运算符是一个新的运算符，也可以用来动态分配内存。

### 文章目录 ###

*  单独编译（组成一个大型程序的每一个翻译单元（一般是源代码文件），单独编译）
 *   *  利用头文件，更好地组织程序的同时不添加更多麻烦（和OOP异曲同工）
     *   *  示例 组织程序
 *  存储持续性（duration）
 *   *  栈 （编译器对自动变量的实现机制）
     *  静态变量(长寿型选手，零初始化)
     *  static 关键字重载（含义取决于上下文）
     *  静态变量的初始化（静态初始化 VS 动态初始化）
     *  函数的存储持续性都是静态的
 *  作用域（scope，描述了信息在翻译单元的多大范围内可见）
 *   *  变量的作用域
     *  函数的作用域

# 单独编译（组成一个大型程序的每一个翻译单元（一般是源代码文件），单独编译） #

听说过**混合编译**，指的是多种语言一起，比如Python代码可以和C，C++混合编译 ，但是这个单独编译不是混合编译的对立面。

而是指每个翻译单元（比如可以是源代码文件）的单独，一般大型程序都由多个源代码文件组成，这些文件之间还会共享一些数据，这时候就涉及每个文件的单独编译。

后面说翻译单元，一般就是指一个文件哈。

注意C中说了，翻译单元是一个术语[看这篇文章][Link 1]，一般是说一个源代码文件以及他所包含的所有文件，但他不一定是指一个文件哈！！因为**文件并不是计算机组织信息的唯一方式**。

C++和C都是**鼓励程序员把组件函数都放在独立文件**的，不希望你和稀泥垒高墙似的堆在一个源文件里。因为堆在一起的话，可读性不好，组件之间的关系啥的不容易看清，且没法控制访问权。

反正你写在多个文件里，**每个文件单独编译后的机器代码会被连接器linker链接为一个可执行程序**。

但是注意，只有同一个编译器生成的所有函数代码能够保证链接成功，你不要拿不同编译器编译一个程序的不同函数，这样很有可能会链接失败，无法把所有的翻译单元的机器代码链接为一个完整可用的程序。这是因为不同编译器对函数的名称修饰的实现很可能是不同的，前面说过[名称修饰][Link 4]了哈，就是编译代码的时候，编译器会为每一个函数名“加密”，比喻说法，本质是把返回类型，参数类型数量都编码，和函数名一起变成一个编码，不同编译器可能用不同方式编码，所以相互可能不认识，就找不到想要的函数模块的机器代码了。

这可是编译内部的原理哦，比较底层的呢，是不是很激动又钻的深一点了呢？原来编译会给每个函数名编码（名称修饰），会把每个翻译单元单独编译为一个代码块，然后链接得到大的程序。

分开放置代码的好处是：更好地组织程序，可以使得**大型程序的管理更加便捷**。如果你修改了某一个文件，编译器可以只对这一个文件单独重新编译，然后和其他文件的编译后代码链接即可，而无需大家全部回炉重造。这样**编译器省事儿，编译速度自然就快**。

## 利用头文件，更好地组织程序的同时不添加更多麻烦（和OOP异曲同工） ##

但是如果你简单地把每个函数放在一个单独文件里，也会造成很多新的麻烦。比如好几个函数都要用同一个结构体，你总不能把这个结构体复制好几遍到这几个函所在的文件吧，那你后面万一要修改结构体，肯定记不得要改好几处。所以这时候，为了把函数分开放，但同时也不自找麻烦，我们就要充分利用头文件了。

把共享的**结构体定义，函数原型，一股脑放到头文件**里，然后大家需要用的就\#include，一句代码万事大吉，要改一起改。  
头文件常常包含的  
![在这里插入图片描述][20200310164109699.png]  
而所有的**源代码文件里放函数定义**以及调用函数的代码。

其实**OOP也这么组织大型程序**：用一个文件包含了用户自定义类型的定义，即函数原型（相当于这里的头文件）；用另一个文件写这些方法/函数的定义代码。以前用C写ADT的时候接触过的。

### 示例 组织程序 ###

这一点我要好好学习一下，再也不写在一个文件里了，以前用python也容易出现程序的组织问题，导致我采用复制函数定义的愚笨方法糊弄解决。

头文件

//coordin.h
    #ifndef COORDIN_H_
    /* 用预处理器编译指令#ifndef防止重复包含该头文件 （其实实质上没有阻止编译器第二次包含，只是让它在第二次甚至更多次重复包含时，没有真的替换文本） 一般定义头文件里的这个名称时，用大写的文件名加上_H_,这样基本不会和程序的其他变量重名 如果以前没有用#define 定义名称COORDIN_H_才执行#ifndef和#endif之间的语句 把#define用于名称时，不需要后面的替换体，就可完成名称的定义 所以名称是空宏 */
    #define COORDIN_H_
    
    struct rect
    { 
        double x;
        double y;
    };
    struct polar
    { 
        double distance;
        double angle;
    };
    const double RAD_TO_DEG = 57.29577951;
    polar rect_to_polar(rect);
    rect polar_to_rect(polar);
    void showPolar(polar);
    void showRect(rect);
    #endif // COORDIN_H_

//main.cpp
    //主程序,即main()函数
    // 双引号告诉编译器在当前工作目录或者源代码目录中找头文件
    #include "coordin.h"
    
    int main()
    { 
        rect r = { 1, 1};
        showRect(r);
        polar p = rect_to_polar(r);
        showPolar(p);
        rect r1 = polar_to_rect(p);
        showRect(r1);
        return 0;
    }

//file1.cpp
    //这里放函数定义
    #include <cmath>
    #include "coordin.h"
    #include <iostream>
    
    polar rect_to_polar(rect r)
    { 
        polar p;
    
        p.distance = sqrt(r.x * r.x + r.y * r.y);
        p.angle = atan2(r.y, r.x);
    
        return p;
    }
    
    rect polar_to_rect(polar p)
    { 
        rect r;
    
        r.x = p.distance * cos(p.angle);
        r.y = p.distance * sin(p.angle);
        return r;
    }
    
    void showPolar(polar p)
    { 
        std::cout << "distance: " << p.distance
                  << " angle: " << p.angle << std::endl;
    }
    void showRect(rect r)
    { 
        std::cout << "horizontal coordinate: " << r.x
                  << " vertical coordinate: " << r.y << std::endl;
    }

正确的输出

horizontal coordinate: 1 vertical coordinate: 1
    distance: 1.41421 angle: 0.785398
    horizontal coordinate: 1 vertical coordinate: 1

# 存储持续性（duration） #

C++的存储方式要用存储持续性，作用域和连接性三个概念来描述。

回顾已经知道的知识，以前学的知识没有涉及到名称空间，本文将介绍名称空间对存储方式的影响（主要是影响了访问权）。

注意多线程是把一个程序，或者一个进程分割为多个计算模块，用多个线程实现这些模块的并行运算。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NjA3ODk0_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 栈 （编译器对自动变量的实现机制） ##

自动变量都在函数内部，所以在函数调用的过程中，自动变量会不断增减，所以程序在运行时需要对自动变量的存储进行管理。怎么管呢？由于自动变量不断增多和减少，变化很多，所以栈这种数据结构很适合用来完成自动变量的存储和管理。

栈就像是一个桶，只在一段添加或者删除数据。它是不断把数据堆叠，堆叠，堆叠，新数据堆叠在旧数据的上方，所以名字是stack,堆叠的意思。

我之前在想，可不可以用队列的方式来使用存储自动变量的内存，想了想，觉得大概用是可以的，只是相比于栈，麻烦了一点，毕竟栈只有一端开口（即可以添加和删除），都够这个需求使用了，又何必用两端开口的更灵活强大的队列呢。  
而且自动变量还是用先进后出感觉好点。但我没想通先进先出是否会有硬伤。

栈的具体实现，使用了两个指针。  
一个指针指向栈底，程序执行的整个期间一直不变，具体指向哪里是编译器指定；  
另一个指针指向的当然就是栈顶了，是下一个要存进来的数据的起始地址。  
两个指针共同指出了栈的长度。

## 静态变量(长寿型选手，零初始化) ##

由于静态变量的数目不会在程序执行期间变化，所以不需要像自动变量那样，用栈的方式使用内存存储他们。而是直接分配固定长度的内存，存起来就好了。当然静态变量使用的内存和自动变量使用的内存是分开的，因为自动变量要用的那段内存是用栈的方式管理。

零初始化，zero-initilized, 指的是所有静态变量没初始化的话，就会被编译器初始化为0.

静态变量的三种链接

注意count虽然在函数内部才能用，但是就算函数执行完了，他还是在内存中，不像自动变量那样被销毁了。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NjA3ODk0_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## static 关键字重载（含义取决于上下文） ##

即他的含义需要取决于上下文

*  在声明无链接的静态变量时，static强调的是存储持续性
 *  声明内部链接的静态变量时，static又强调的是链接性

这么说auto也用了关键字重载，哈哈

## 静态变量的初始化（静态初始化 VS 动态初始化） ##

这两种初始化都是针对静态变量的哈，不要以为动态初始化不能初始化静态变量。

之前了解到静态和动态的区分点是编译，即编译时做的事，比如声明变量等，就是静态的；  
编译后，即运行程序时，再声明变量或者分配内存，就是动态的。不要觉得运行时不能分配内存或者声明变量哦，因为你只要写了代码，比如new写的代码，编译为机器码，执行的时候他就会去分配呀。不是只有编译器才可以做那些。

静态初始化分为零初始化和常量表达式初始化。即在编译翻译单元时，执行初始化。

动态初始化是在编译后初始化。

三种初始化静态变量的方式的顺序：零初始化—常量表达式初始化（如果可以）—动态初始化（如果需要）。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NjA3ODk0_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

特别喜欢这种总结图  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM2NjA3ODk0_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

## 函数的存储持续性都是静态的 ##

即程序的所有函数在程序运行期间都一直存在，不会像变量那样还有自动存储持续性，毕竟你又不可能在一个函数中嵌套定义另一个函数。

# 作用域（scope，描述了信息在翻译单元的多大范围内可见） #

## 变量的作用域 ##

变量的作用域有多种， 局部，全局（即文件作用域），函数原型作用域， 类作用域，名称空间作用域。

其中全局作用域是名称空间作用域的特例

*  局部：只在声明他的代码块中可用
 *  全局：从定义位置到文件结尾可用
 *  函数原型：包含参数列表的括号内可用，所以是否在原型中声明变量并不重要
 *  在类中声明的成员的作用域是整个类
 *  在名称空间声明的变量的作用域是整个名称空间

## 函数的作用域 ##

函数的作用域只有两种：类作用域和名称空间作用域（包含了全局作用域）。

函数不可以有局部作用域，因为那样的话，就不能被别的函数调用，那还有啥用，此外，也不允许在代码块内部定义函数。

[Link 1]: https://blog.csdn.net/qq_36607894/article/details/104313366
[Link 2]: https://blog.csdn.net/qq_36607894/article/details/104319247
[Link 3]: https://blog.csdn.net/qq_36607894/article/details/104593259
[Link 4]: https://blog.csdn.net/qq_36607894/article/details/104705083
[20200310164109699.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200310164109699.png
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