基於C++記憶體配置、函數調用與傳回值的深入分析

在談述函數調用和傳回值問題之前，先來看看C++中記憶體配置的問題。
C++編譯器將電腦記憶體分為代碼區和資料區，很顯然，代碼區就是存放程式碼，而資料區則是存放程式編譯和執行過程出現的變數和常量。資料區又分為待用資料區、動態資料區，動態資料區包括堆區和棧區。
以下是各個區的作用：
(1)代碼區：存放程式碼；
(2)資料區
a.待用資料區: 在編譯器進行編譯的時候就為該變數分配的記憶體，存放在這個區的資料在程式全部執行結束後系統自動釋放，生命週期貫穿於整個程式執行過程。
b.動態資料區：包括堆區和棧區
堆區：這部分儲存空間完全由程式員自己負責管理，它的分配和釋放都由程式員自己負責。這個區是唯一一個可以由程式員自己決定變數生存期的區間。可以用malloc,new申請對記憶體，並通過free和delete釋放空間。如果程式員自己在堆區申請了空間，又忘記將這片記憶體釋放掉，就會造成記憶體泄露的問題，導致後面一直無法訪問這片儲存地區。
棧區：存放函數的形式參數和局部變數，由編譯器分配和自動釋放，函數執行完後，局部變數和形參佔用的空間會自動被釋放。效率比較高，但是分配的容量很有限。
注意:
1)全域變數以及靜態變數存放在待用資料區;
2)注意常量的存放地區，通常情況下，常量存放在程式區(程式區是唯讀，因此任何修改常量的行為都是非法的)，而不是資料區。有的系統，也將部分常量分配到待用資料區，比如字串常量(有的系統也將其分配在程式區)。但是要記住一點，常量所在的記憶體空間都是受系統保護的，不能修改。對常量空間的修改將造成訪問記憶體出錯，一般系統都會提示。常量的生命週期一直到程式執行結束為止。
在弄懂記憶體配置的問題過後，來看看函數調用的過程：
執行某個函數時，如果有參數，則在棧上為形式參數分配空間（如果是參考型別的參數則類外），繼續進入到函數體內部，如果遇到變數，則按情況為變數在不同的儲存地區分配空間（如果是static類型的變數，則是在進行編譯的過程中已經就分配了空間），函數內的語句執行完後，如果函數沒有傳回值，則直接返回調用該函數的地方（即執行遠點），如果存在傳回值，則先將傳回值進行拷貝傳回，再返回執行遠點，函數全部執行完畢後，進行退棧操作，將剛才函數內部在棧上申請的記憶體空間釋放掉。
下面通過幾個例子來談談記憶體配置和函數傳回值的問題：
記憶體配置的問題：
複製代碼 代碼如下:int a=1; a在棧區
char s[]="123"; s在棧區，“123”在棧區，其值可以被修改
char *s="123"; s在棧區，“123”在常量區，其值不能被修改
int *p=new int; p在棧區，申請的空間在堆區（p指向的地區）
int *p=(int *)malloc(sizeof(int)); p在棧區，p指向的空間在堆區
static int b=0; b在靜態區

1.test1 複製代碼 代碼如下:#include<iostream>
using namespace std;
void test(int *p)
{
int b=2;
p=&b;
cout<<p<<endl;
}
int main(void)
{
int a=10;
int *p=&a;
cout<<p<<endl;
test(p);
cout<<p<<endl;
return 0;
}

第一行輸出和第三行輸出的結果相同，而第一行、第三行與第二行輸出的結果不同。從這裡可以看出，當指標作為參數進行傳遞時傳遞的也只是一個值，只不過該值只一個地址，因此對於形參的改變並不影響實參。
2.test2
複製代碼 代碼如下:#include<iostream>
using namespace std;
char* test(void)
{
char str[]="hello world!";
return str;
}
int main(void)
{
char *p;
p=test();
cout<<p<<endl;
return 0;
}

輸出結果可能是hello world!,也可能是亂麻。
出現這種情況的原因在於：在test函數內部聲明的str數組以及它的值"hello world”是在棧上儲存的，當用return將str的值返回時，將str的值拷貝一份傳回，當test函數執行結束後，會自動釋放棧上的空間，即存放hello world的單元可能被重新寫入資料，因此雖然main函數中的指標p是指向存放hello world的單元，但是無法保證test函數執行完後該儲存單元裡面存放的還是hello world，所以列印出的結果有時候是hello world，有時候是亂麻。
3.test3
複製代碼 代碼如下:#include<iostream>
using namespace std;
int test(void)
{
int a=1;
return a;
}
int main(void)
{
int b;
b=test();
cout<<b<<endl;
return 0;
}

輸出結果為 1
有人會問為什麼這裡傳回來的值可以正確列印出來，不是棧會被重新整理內容嗎？是的，確實，在test函數執行完後，存放a值的單元是可能會被重寫，但是在函數執行return時，會建立一個int型的零時變數，將a的值複製拷貝給該零時變數，因此返回後能夠得到正確的值，即使存放a值的單元被重寫資料，但是不會受到影響。
4.test4
複製代碼 代碼如下:#include<iostream>
using namespace std;
char* test(void)
{
char *p="hello world!";
return p;
}
int main(void)
{
char *str;
str=test();
cout<<str<<endl;
return 0;
}

執行結果是 hello world!
同樣返回的是指標，為什麼這裡會正確地列印出hello world1？這是因為char *p="hello world!"，指標p是存放在棧上的，但是"hello world!”是一個常量字串，因此存放在常量區，而常量區的變數的生存期與整個程式執行的生命期是一樣的，因此在test函數執行完後，str指向存放“hello world!”的單元，並且該單元裡的內容在程式沒有執行完是不會被修改的，因此可以正確輸出結果。
5.test5
複製代碼 代碼如下:#include<iostream>
using namespace std;
char* test(void)
{
char *p=(char *)malloc(sizeof(char)*100);
strcpy(p,"hello world");
return p;
}
int main(void)
{
char *str;
str=test();
cout<<str<<endl;
return 0;
}

運行結果 hello world
這種情況下同樣可以輸出正確的結果，是因為是用malloc在堆上申請的空間，這部分空間是由程式員自己管理的，如果程式員沒有手動釋放堆區的空間，那麼儲存單元裡的內容是不會被重寫的，因此可以正確輸出結果。
6.test6
複製代碼 代碼如下:#include<iostream>
using namespace std;
void test(void)
{
char *p=(char *)malloc(sizeof(char)*100);
strcpy(p,"hello world");
free(p);
if(p==NULL)
{
cout<<"NULL"<<endl;
}
}
int main(void)
{
test();
return 0;
}

沒有輸出
在這裡注意了，free()釋放的是指標指向的記憶體！注意！釋放的是記憶體，不是指標！這點非常非常重 要！指標是一個變數，只有程式結束時才被銷毀。釋放了記憶體空間後，原來指向這塊空間的指標還是存在！只不過現在指標指向的內容的垃圾，是未定義的，所以說是垃圾。因此，釋放記憶體後應把把指標指向NULL，防止指標在後面不小心又被使用，造成無法估計的後果。