C++内存分区模型
在执行C++程序的过程中，内存大致分为四个区域：
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栈区(Stack)：用于实现函数调用。由编译器自动分配释放，存放函数的参数值和局部变量等
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堆区(Heap)：用于存放动态分配的变量。由程序员动态分配和释放，使用new和delete操作符
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全局/静态存储区(Data Segment & BSS Segment)：存放全局变量和静态变量，程序结束时释放
数据段 Data Segment (全局/静态存储区) : 存放初始化了的全局变量和静态变量
BSS段 BSS Segment : 用于存放未初始化的全局变量和静态变量，节省空间，实际上不占用磁盘空间
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代码区(Text Segment)：通常也被称为文本区或只读区。存放程序的二进制代码和常量，代码段是只读的，可以被多个进程共享
也有人认为 常量存储区 在内存中是独立的，C++标准并没有明确将常量存储区单独列为内存分区模型的一部分。因此，内存分区模型的确切细节可以根据不同的观点和上下文而有所不同
注意：不同的操作系统对程序内存的管理和划分会有所不同。上述的C++内存区域划分主要是针对通用的情况，并不限定在某个特定操作系统上
1. 代码区
代码区 (Code Segment) 也被称为文本段 (Text Segment) 或者只读区，主要包括可以执行的文件 ELF (Executable and Linkable Format) 和常量
代码区(Code Segment)也被称为文本段(Text Segment)或只读区，它有以下几个主要特征:
- 代码区是程序的静态存储区域，存放程序执行所需的机器指令和常量数据，如字符串字面量和 const 变量的初始化值
- 代码区的内容为只读属性，不允许修改程序中的代码，保障程序的安全性和稳定性
- 程序运行前，代码区的内存大小已在可执行文件中确定，加载时系统会自动分配适当的内存
- 多个进程可以共享相同的代码区，节省内存空间
- 为提高效率，一些字符串字面量 (例如 "Hello") 可能会存放在共享的只读数据区而不是代码区
- 若代码区中的常量初始化需要运行时计算，会将其放在数据区而不是代码区
- 代码区也包含只读数据，如跳转表和常量表等
- 程序运行时，代码区通常不会改变大小，若需扩展，依赖操作系统提供的机制
2. 全局/静态存储区
全局/静态存储区主要包括以下两个部分:
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数据段(Initialized Data Segment)
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用于存放初始化了的全局变量和静态变量
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存储在此段的数据在程序运行前分配,运行结束后释放
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有初始化值的全局变量和静态变量存放在此
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数据段属于可读可写区域
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BSS段(Block Started by Symbol)
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用于存放未初始化的全局变量和静态变量
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不占用实际的磁盘空间,只在编译时预留内存空间
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无初始化值的全局变量和静态变量存放在此
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程序启动时会自动初始化为默认值
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属于可读写区域
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两者的主要区别在于初始化状况。全局变量和静态变量可以显式初始化，如果没有显式初始化，它们会被自动初始化为默认值（0 或 nullptr，取决于变量的类型），该区域的数据在程序整个运行周期中一直存在
3. 栈区
栈区是用于实现函数调用和局部变量存储的一种内存区域。在 C++ 中，每当调用一个函数时，系统会自动在栈区为该函数分配一块内存，称为栈帧（Stack Frame）。栈帧用于存储函数的参数值、局部变量以及函数执行期间的一些控制信息 ^f6a053
以下是栈区的一些关键特点:
- LIFO（Last-In-First-Out）原则：栈区采用后进先出的原则，即最后压入栈的数据会最先弹出。这是因为每次调用函数时，会将函数的栈帧压入栈顶，函数执行结束后，栈帧会从栈顶弹出
- 自动分配和释放：栈区的内存分配和释放是由编译器自动管理的，当进入函数时，会为该函数分配一块连续的内存区域，并在函数返回时自动释放这块内存。这样的自动分配和释放使得栈区的内存管理相对高效，但也意味着栈上的数据生命周期必须在函数调用内部
- 局部变量存储：栈区主要用于存储函数的局部变量，这些变量的生命周期与函数的调用和返回相对应。当函数调用结束，栈帧会被销毁，其中的局部变量也会被销毁，因此在函数外部无法访问这些局部变量
- 函数调用：当调用函数时，函数的参数值和返回地址会被压入栈帧中，函数执行过程中的其他局部变量也会存储在栈帧中。函数返回时，栈帧会从栈顶弹出，恢复调用函数的现场
- 栈溢出：栈区的大小是有限的，如果递归调用过深或者函数中使用了大量的局部变量，可能导致栈溢出（Stack Overflow）错误，即栈区的内存已被耗尽
- 线程私有：每个线程都有自己的栈区，栈区的内存是线程私有的，不同线程之间的栈区不共享
3.1 栈溢出
栈溢出（Stack Overflow）是指程序在运行过程中，不断调用函数，导致栈空间被占满，无法再分配新的栈帧。栈是一种先进后出的数据结构，用于存储局部变量、参数、返回地址等信息。栈的大小是有限的，一般为8~10MB。栈溢出通常发生在递归调用过深或死循环的情况下
以下是一个程序在栈区的示例图。在主函数调用自定义的函数，函数内部形成递归
当程序一直运行时，递归的函数会不断占用栈区的内存空间，从而导致 栈溢出
3.2 缓冲区溢出
在C++中，缓冲区溢出通常发生在栈区。栈区用于存储函数调用时的局部变量和函数调用的返回地址
当函数调用时，函数的栈帧（包含局部变量和其他控制信息）被压入栈中。如果函数中使用了缓冲区（数组）并且没有进行足够的边界检查，很容易导致写入超出缓冲区边界的数据，从而覆盖栈上其他变量和控制信息，这就是缓冲区溢出
例如以下代码就是一个缓冲区溢出的案例：
#include <iostream>
int main()
{
//创建并初始化数组
char arr[3] = {'a', 'a', 'a'};
//向数组写入数据，但超出了数组的边界
for (int i = 0; i <= 4; i++)
{
arr[i] = 'b';
}
}
我们在合适的位置添加调试断点，并对数组arr添加监视，观察内存变化
找到数组对应的地址，观察内存中的变化
按下F11逐语句调试，发现数组越界后仍然向未被允许访问的内存中写入数据
显示数组所申请的内存附近堆栈被损坏，这就是缓冲区溢出的危害
3.3 数据不稳定
栈区中的局部变量生命周期与函数的调用和返回相关。当函数返回后，栈帧会被销毁，其中的局部变量也会被销毁。如果在函数内部使用了指向栈区局部变量的指针，并在函数返回后继续使用这些指针，会导致悬空指针（Dangling Pointers）也就是野指针的问题，访问已被销毁的局部变量的内存区域，可能引发未定义的行为
下面是示例代码，证明栈帧销毁后局部变量也被销毁，造成悬挂指针的问题：
#include <iostream>
int* dangPtr;
void test() {
int x = 10;
dangPtr = &x;
std::cout << "dangPtr in test: " << *dangPtr << std::endl;
}
int main() {
test();
std::co