面试题：C++ 内存模型中的栈内存与堆内存

Question

请阐述C++中栈内存和堆内存的区别，包括内存分配和释放方式、数据生命周期、适用场景等方面，并举例说明在实际编程中如何正确使用这两种内存。

Answer 1

栈内存和堆内存的区别

1. 内存分配和释放方式
   • 栈内存：由编译器自动分配和释放。当函数被调用时，其局部变量在栈上分配内存，函数结束时，这些变量所占用的栈内存自动被释放。
   • 堆内存：由程序员手动分配和释放。使用new（C++）或malloc（C语言）来分配内存，使用delete（C++）或free（C语言）来释放内存。如果忘记释放，会导致内存泄漏。
2. 数据生命周期
   • 栈内存：局部变量的生命周期与函数调用周期相关。一旦函数返回，栈上的局部变量就会被销毁，内存被回收。
   • 堆内存：通过new分配的内存，只要没有调用delete，它就会一直存在于堆中，直到程序结束。这使得堆内存可以在不同的函数之间共享数据，其生命周期由程序员控制。
3. 适用场景
   • 栈内存：适用于生命周期短、大小确定且不需要在函数间共享的数据。例如函数内部的临时变量、函数参数等。由于栈内存的分配和释放非常高效，所以对于小且短暂使用的数据，使用栈内存可以提高程序性能。
   • 堆内存：适用于需要动态分配大小的数据（如运行时才确定大小的数组、链表等数据结构），以及需要在不同函数或模块间共享的数据。

实际编程中正确使用这两种内存的示例

#include <iostream>

// 使用栈内存
void stackExample() {
    int num = 10; // num 在栈上分配内存
    std::cout << "Stack variable num: " << num << std::endl;
    // 函数结束时，num 占用的栈内存自动释放
}

// 使用堆内存
void heapExample() {
    int* ptr = new int(20); // 在堆上分配内存并初始化
    std::cout << "Heap variable *ptr: " << *ptr << std::endl;
    delete ptr; // 手动释放堆内存
}

int main() {
    stackExample();
    heapExample();
    return 0;
}

在上述代码中，stackExample函数展示了栈内存的使用，局部变量num在栈上分配，函数结束时自动释放。heapExample函数展示了堆内存的使用，通过new在堆上分配内存，最后使用delete手动释放，以避免内存泄漏。