本文探讨了C++程序内存布局的基础知识，对堆、栈、全局数据区和代码区的概念进行了简单介绍，并介绍了内存对齐和进程地址空间（虚拟内存）方面的知识。    

今天一大早起来，收到外校的同学传给我的一道C++面试题，该公司做Windows平台下的C++开发。面试题有一道考C++程序内存布局，很具有代表性。   

已知有这样一段代码：  

#include <iostream> 

#include <string>   

using std::string;

using std::cout; 

using std::endl;   

int global_a = 5;     //全局对象 

static global_b = 6;  //全局静态对象   

int main()  

{  int a = 5; //声明一个变量5  

char b = 'a';  

int  c = 8;  

static int d = 7;    

cout<<&a<<endl;                       

cout<<&c<<endl;   cout<<&d<<endl;    

cout<<&global_a<<endl;  

cout<<&global_b<<endl;         

return 0; }       

问题如下：这段代码运行后会打印出变量的地址（这个很明显），以变 量a为例，编译后第一次执行和第二次执行打印出来的变量地址是否一样？如果重新编译再次运行，打印出来的变量地址会不会变化？请解释原因。  

我拿这道题问了几位同学，得出的答案主要有以下两种，第一种认为三次打印出来的变量a的地址都不一样，第二种认为前两次打印出来的变量a的地址一样，第三次打印出来的变量a的地址与前两次不同。  

那么实际的结果是如何呢？在VC++6.0和VS2008下分别进行实验，请看三次程序运行的截图: 

说明了什么？首先说明了我问的几位同学都提供的是错误的答案，再就是为什么会一样呢？一样会不会导致内存冲突（貌似而且实际上也是内存地址是一样的）。要解释这两个问题，必须了解C++程序的内存模型和Windows平台下的内存管理机制。       

首先看C++程序的内存模型（本文不讨论C++对象内存模型），下面是一张经典的C++内存模型图：  

从上面的图示中，可以建立起对C++程序运行的一个整体认识，共分为栈、堆、全局数据区和程序代码区。文首程序中的变量a便是局部变量，所以被分配在栈区。大家回忆一下栈的知识，一个栈顶指针，栈从高地址向低地址生长，栈有大小限制。好了，问题来了,为什么三次打印出来的对象a的地址一样。   

首先，在VC++6.0下，在“a=5”这行语句上加一个断点，按F5j进入调试模式，然后按ALT+8查看编译器生成的汇编代码： 

这里面ebp就是当前的栈顶地址，注意到a占用三个字节，而且答应出来的a 的地址实际上是a低字节的地址（回忆下计算机组成结构的知识）。那好，在第一个数据a入栈前的栈顶指针是多少呢？计算一下0012FF7C+4=0012FF80，这个值是由编译器决定的，从上面可以看出，VC++6.0下和VC++2008下这个值是不一样的。同理，也可以计算出全局数据区的起始地址。  

好的，我们在深入一下，讨论另外一个问题，内存对齐。在声明变量a之后，又接着声明了字符b（占一个字节），最后又声明了整形变量c，那么c的地址应该是多少呢？计算一下：0012FF7C-1-4=0012FF77。但是实际上打印出来的是0012FF74。为什么呢？答案就是内存对齐。  在现代计算机体系结构中，为了使CPU对变量进行高效、快速地访问，变量的地址应该具有某种特性，那就是“对齐”，对齐行为是有编译器来来实施的。如本例中对于4个字节大小的整形变量，其起始地址应该位于4个字节边界上，即能够被4整除，汇编上的黑话叫做“模四地址”。  现在我们修改一下文首的代码，将动态对象加入，注意到动态对象是在堆中分配的，增加下面几行代码：  

int * pinteger = new int(5);   // 在堆上分配内存 

cout<<pinteger<<endl;  

int * pinteger2 = new int(5); 

cout<<pinteger2<<endl; delete pinteger; 

delete pinteger2;

注意到最后打印出的两个变量地址就是堆上的地址，注意到两个地址不是连续增长的。而在栈上和全局数据区分配的内存地址则是连续的。再就是注意到堆的地址在栈和全局变量区之间，这和上面所示的C++内存布局图示是一致的。那好，问第二个问题，三个程序打印出来的变量地址一模一样，会不会发生地址冲突？答案是不会发生地址冲突，因为打印出来的地址不是变量的实际物理地址，而是虚拟地址，也叫逻辑地址。三个程序（实际上是同一个程序的三个运行实例）

在操作系统中被当成三个独立的进程，彼此拥有独立的地址空间。它们之间互不影响，比如同样地址为0012FF7C的内存，在不同的进程中，它们的数据可能是完全不同的（在我们这个例子中是相同的）。在Windows操作系统中，通过虚拟内存机制，为每个进程提供了一个一致的内存视图，同时使得逻辑内存与物理内存分隔开来。虚拟内存的识这里不再赘述，推荐《操作系统概念》一书，对虚拟内存有完整的介绍。