面试题：C++静态存储区变量与栈、堆变量的交互及注意事项

Question

假设在一个C++项目中，既有在静态存储区定义的全局变量，又有在栈上的局部变量以及在堆上动态分配的变量。请描述这三类变量在不同函数调用、模块交互过程中的可见性、作用域和生存周期情况，以及可能出现的内存相关问题及如何避免。

Answer 1

1. 全局变量（静态存储区）

• 可见性：在整个程序中可见，只要包含定义该全局变量的头文件，其他模块就能访问。
• 作用域：从定义处到文件结束，如果使用extern关键字声明，作用域可扩展到整个程序。
• 生命周期：从程序开始执行时创建，到程序结束时销毁。
• 内存相关问题：
  • 命名冲突：不同模块定义相同名字的全局变量会导致链接错误。
  • 初始化顺序问题：多个全局变量之间的初始化顺序可能影响程序行为。
• 避免方法：
  • 为全局变量取有意义且唯一的名字，最好加上模块相关的前缀。
  • 对于有依赖关系的全局变量，在代码中明确初始化顺序，或者使用单例模式等方式延迟初始化。

2. 局部变量（栈上）

• 可见性：仅在定义它的函数或代码块内可见。
• 作用域：从定义处到所在函数或代码块结束。
• 生命周期：当函数或代码块被调用时创建，执行结束时销毁，栈空间被释放。
• 内存相关问题：
  • 栈溢出：如果函数递归过深或者局部变量占用栈空间过大，可能导致栈溢出。
• 避免方法：
  • 优化递归算法，避免无限制递归。
  • 对于占用空间较大的局部变量，考虑将其定义为静态局部变量（存于静态存储区）或动态分配到堆上。

3. 动态分配变量（堆上）

• 可见性：取决于指针的作用域，指针在哪个作用域内有效，通过指针访问的堆上变量在该作用域内就可见。
• 作用域：取决于指针的作用域。
• 生命周期：从调用new（或malloc）分配内存开始，到调用delete（或free）释放内存结束。
• 内存相关问题：
  • 内存泄漏：如果分配了内存但没有释放，就会导致内存泄漏。
  • 悬空指针：释放内存后，指针没有置为nullptr，继续使用该指针会导致未定义行为。
• 避免方法：
  • 使用智能指针（如std::unique_ptr、std::shared_ptr）来管理动态分配的内存，它们会在适当的时候自动释放内存。
  • 手动管理内存时，确保delete（或free）与new（或malloc）成对出现，释放内存后将指针置为nullptr。