1.1 五本分类账：内存区域划分

1.1 五本分类账：内存区域划分

本节摘要：C++ 程序的进程内存按记账方式分为五本账：代码区、常量区、全局/静态区、栈区、堆区。区域决定记账规则——谁开户、谁销户、生命周期多长。分清区域是全册一切内存讨论的前提，也是定位坏账时首先要回答的问题。

导读里那位追查 ProfileService 的工程师，第一句审计问话就是"这些字节登记在哪本账上"。要回答它，得先知道账本一共有几本。本节是全册的起点：上一级是导读的知识地图，下一级通往 1.3 的 new 与 delete——那里将反复用到这里的区域概念。

先跑一段代码

区域划分不该背表格，该亲眼验证。下面这段程序把五本账的代表地址都打印出来：

#include <cstdio>

int g_counter = 0;                 // 全局区（数据段）：程序启动即开户
static double g_ratio = 1.5;       // 同样在全局区，static 只影响可见范围
const char* g_tip = "audit";       // 字面量在常量区，指针变量本身在全局区

int main() {
    int local = 42;                // 栈区：随作用域开户销户
    static int calls = 0;          // 静态局部变量：仍在全局区，仅作用域受限
    int* heap = new int(7);        // 堆区：手工开户，账户就是 *heap

    std::printf("代码区   %p\n", reinterpret_cast<void*>(&main));
    std::printf("常量区   %p\n", reinterpret_cast<const void*>(g_tip));
    std::printf("全局区   %p\n", reinterpret_cast<void*>(&g_counter));
    std::printf("栈区     %p\n", reinterpret_cast<void*>(&local));
    std::printf("堆区     %p\n", reinterpret_cast<void*>(heap));
    delete heap;                   // 手工销账
    return 0;
}
​

在某台 64 位 Linux 上的一次典型输出（地址值每次运行会变，相对次序稳定）：

代码区   0x55f3a1c22169
常量区   0x55f3a1c24b55
全局区   0x55f3a1c25134
栈区     0x7ffd0c31e464
堆区     0x55f3a4de72a0
​

解读这段输出：代码区与常量区地址最低且相邻；全局区紧随其后；堆区离它们隔着一大片空隙；栈区地址最高，而且比其他区域高出一大截——它是从高地址向低地址生长的。两次运行地址不同是地址空间布局随机化（ASLR）在起作用，但相对布局每次都一样，这份次序感在后面读崩溃地址时会派上用场：看到 0x7f 开头的地址，多半是栈或映射区；看到与代码区相邻的地址，多半是全局数据。

图 1-1 典型 64 位进程的地址空间五本账

一、五本账各自的记账规则

代码区与常量区是两本只读账。 机器指令、字符串字面量、编译期确定的常量放这里，程序运行期间只读不写，写入会直接触发崩溃（这正是 const 正确性在硬件层面的后盾）。它们的开户发生在程序载入时，销户发生在进程退出时，中间不存在任何手工记账动作。

全局/静态区是程序级账本。 全局变量、静态变量（含静态局部变量）住在这里，开户于程序启动、销户于程序结束，生命周期横跨整个 main。值得注意的是静态局部变量：它的作用域在一个函数里，账却在全局账本上——"作用域小"和"活得短"是两回事，这是初学者最容易混的一对概念。

栈区是自动记账的活期账户。 函数的局部变量、参数、返回地址都在栈上，进函数开户、出函数销户，由编译器自动完成，速度极快（本质是挪一下栈指针）。但空间有限，常见配置在 1 到 8 MB 之间——在栈上开一个超大数组，账本当场就翻脸（栈溢出）。

堆区是手工记账的承重墙。 new 申请、delete 销账，空间大、寿命可控，代价是记账责任全在人。全册的坏账故事几乎都发生在这本账上，第 6 章的分配器审计也是围绕它展开。

二、一个补充：自由存储与堆是什么关系

C++ 文档里常见 free store（自由存储）这个词，很多人把它当成堆的别名。严格说，new/delete 操作的是自由存储，malloc/free 操作的是堆，两者在标准里是两套账目接口；主流编译器实现里，operator new 底层通常就调 malloc，于是两本账合成了同一本。实践中把它们当同义词问题不大，但审计时要记住分界：只要走 new 开的户，就必须走 delete 销账；走 malloc 开的户，必须走 free。跨接口销账（new 出来的用 free 销）是标准的未定义行为，账目直接烂掉。

还有一个常被追问的细节：全局区里没显式初始化的变量去哪了？它们住在数据段里的 BSS 部分，载入器负责清零，"全局 int 不初始化就是 0"这句老话的依据就在这里。而栈上的局部变量不享受这项服务，不初始化就是随机值——第一章的坏账家族里，"野指针"多半就是这么来的。

三、案例：用区域知识给崩溃地址定位

背景：同事反馈服务偶发崩溃，崩溃日志里只有一个地址 0x7ffd1a2b3c40，没有调用栈。

操作：拿到地址先做区域判读。0x7f 开头落在栈或映射区段位，而不是堆区常见的低段地址；再看代码，崩溃点前一行恰好把一个局部数组的地址存进了全局回调指针。

结果：定位为悬垂指针——回调指针指向的栈账户早随函数返回销户了，异步触发时通过旧凭证访问已销账的内存。

解读：这份定位效率来自区域布局的"段位感"：不靠猜，靠的是 1.1 节打印地址时建立的空间直觉。堆、栈、全局各有典型地址段位，虽然 ASLR 让具体值漂移，段位次序不变。

变式：同样的判读流程可用于任何崩溃地址。若地址极低（接近 0），多半是空指针解引用；若地址落在代码区段位，多半是函数指针坏了；若地址在堆段位且反复出现，就该怀疑悬垂的堆对象。把这些判断写成团队的崩溃日志分析清单，新人也能照着走。

💡 关键直觉：区域不是按"数据长什么样"划分的，而是按"谁记账、活多久"划分的。判断变量归属时别看类型，看它的开户方式——这一问习惯养成了，后面学智能指针时"所有权"概念会顺畅得多。

本节要点回顾

• 五本账：代码区、常量区、全局/静态区、栈区、堆区，划分依据是记账方式与生命周期，不是数据类型。
• 栈与全局自动记账：栈随作用域自动开户销户；全局/静态区横跨程序全程，静态局部变量"作用域小、寿命长"。
• 堆手工记账：new 开户、delete 销账，责任在人，坏账高发，是后续章节的主战场。
• 地址段位感：代码区最低、栈区最高、堆与映射区居中，ASLR 只动值不动次序，崩溃地址判读靠它。
• 接口配对：new 配 delete、malloc 配 free，跨接口销账是未定义行为。
• BSS 清零：全局未显式初始化变量由载入器清零，栈变量无此待遇，读未初始化栈变量就是野值。

下一节我们把镜头从账本下移到银行：虚拟地址与物理地址的兑换系统，解释为什么 new 出来的地址总是那么"体面"，以及为什么刚开的大户头几乎不花钱。