程序所使用的内存通常被划分为若干不同的区域，称为“段”（segment）：
- 代码段（亦称文本段），存放已编译的程序指令，通常为只读。
- BSS 段（亦称未初始化数据段），存放被零初始化的全局变量与静态变量。
- 数据段（亦称已初始化数据段），存放已显式初始化的全局变量与静态变量。
- 堆（heap），用于动态内存分配。
- 调用栈（call stack），用于存储函数参数、局部变量及其他与函数调用相关的信息。
本课重点讨论堆与栈，因为大多数关键行为均发生于此二者之中。
堆段
堆段（又称“自由存储区”）负责追踪通过动态内存分配获得的内存。我们在《使用 new 与 delete 进行动态内存分配》中已初步介绍过堆，此处予以回顾。
在 C++ 中，使用 new 运算符分配的内存位于应用程序的堆段。
假设 int 占 4 字节：
int* ptr { new int }; // new int 在堆上分配 4 字节
int* array { new int[10] }; // new int[10] 在堆上分配 40 字节
该内存地址由 operator new 返回，并存储于指针中。用户无需关心系统在何处、如何寻找并分配空闲内存。但应知晓：连续申请内存未必得到连续的地址。
int* ptr1 { new int };
int* ptr2 { new int };
// ptr1 与 ptr2 的地址可能并不连续
当使用 delete 释放动态分配的变量时，内存被“归还”给堆，可供后续分配请求复用。记住：删除指针并非删除变量本身，而是将对应地址的内存交还操作系统。
堆的优缺点：
- 堆上分配内存速度相对较慢。
- 已分配内存将一直保留，直至显式释放（谨防内存泄漏）或进程结束（此时操作系统回收）。
- 动态内存必须通过指针访问；解引用指针比直接访问变量慢。
- 因堆为大型内存池，故可在此分配大型数组、结构体或类。
调用栈
调用栈（通常简称“栈”）扮演更为关键的角色：它追踪自程序启动至当前执行点的所有活跃函数（已调用但尚未返回者），并负责为函数参数及局部变量分配空间。
栈本身以“栈”数据结构实现，因此须先理解何为栈数据结构。
栈数据结构
数据结构是为高效组织与使用数据而设计的机制。你已接触过数组、结构体等，它们均提供存储与访问数据的方法。标准库亦实现了多种数据结构，其中就包括栈。
想象自助餐厅的一摞盘子：由于盘子沉重且叠放，你只能做三件事：
- 查看最顶端盘子的表面；
- 取走最顶端盘子（露出下一个盘子，如有）；
- 将新盘子置于最顶端（覆盖下方盘子，如有）。
在计算机中，栈是一种容器型数据结构，可容纳多个变量（类似数组）。然而，数组支持随机访问，而栈受限：
- top()（或 peek()）：查看栈顶元素；
- pop()：移除栈顶元素；
- push()：将新元素压入栈顶。
栈遵循“后进先出”（LIFO）原则：最后压入的元素最先弹出。若不断压栈，栈增长；不断弹栈，栈缩小。
示例操作序列：
栈：空
push 1
栈：1
push 2
栈：1 2
push 3
栈：1 2 3
pop
栈：1 2
pop
栈：1
盘子比喻虽形象，但可再精确些：设想一摞固定数量的信箱，每个信箱只能存放一件物品，最初皆空。信箱彼此钉牢，数量不可变。我们借助一张便签标记“最底空信箱”的位置。初始时，便签指向最底信箱。压栈时，物品放入便签指示的信箱，并将便签上移一格；弹栈时，便签下移一格，再取出该信箱物品。便签以下视为“栈内”，便签及其上方不在栈内。
栈段
栈段存放调用栈所用内存。程序启动时，操作系统将 main() 压栈，程序由此开始执行。遇到函数调用，则将该函数压栈；函数返回，则将其弹栈（此过程称为“栈展开”）。因此，观察当前栈内函数即可知调用链。
上述信箱比喻与调用栈极为相似：栈是一段固定大小的连续内存地址，信箱即地址，信箱内物品即“栈帧”（stack frame）。栈帧保存一次函数调用的全部数据。便签即 CPU 中的“栈指针”（stack pointer，SP），指示当前栈顶。
优化：弹栈时只需下移栈指针，无需清空原栈帧内存；后续压栈将直接覆盖旧值。
调用栈的运行流程
函数调用时，依次发生：
- 程序遇到函数调用；
- 构建栈帧并入栈，栈帧包含：
- 返回地址（函数调用指令之后的下一条指令）；
- 所有实参；
- 局部变量所需内存；
- 需恢复的寄存器副本；
- CPU 跳转至函数入口；
- 执行函数体指令；
- 函数返回时：
- 从栈恢复寄存器；
- 弹出栈帧，释放局部变量及参数内存；
- 处理返回值；
- CPU 从返回地址继续执行。
返回值处理方式依体系结构而异：部分架构将返回值置于栈帧，部分则利用寄存器。
通常无需深究细节，但须知：函数调用即压栈，函数返回即弹栈，这有助于理解递归及调试。
技术注记：某些架构中栈向远离地址 0 的方向增长，另一些则相反，故新栈帧地址可能高于或低于旧栈帧。
简例
int foo(int x)
{
// b
return x;
} // foo 在此处弹栈
int main()
{
// a
foo(5); // foo 在此处压栈
// c
return 0;
}
在标记点处，栈状态为：
a：
main()b：
foo()（含参数 x） main()c：
main()
栈溢出
栈容量有限，仅能保存有限信息。Windows 上 Visual Studio 默认栈大小为 1 MB；g++ / Clang 在 Unix 变体上可达 8 MB。若栈空间耗尽，即发生“栈溢出”（stack overflow）。
栈溢出常因：
- 栈上分配过多变量；
- 过度嵌套的函数调用（如 A 调 B 调 C 调 D …）。
现代操作系统中，栈溢出通常触发访问违规，终止程序。
示例 1：在栈上申请过大数组
#include <iostream>
int main()
{
int stack[10000000];
std::cout << "hi" << stack[0]; // 使用 stack[0] 防止编译器优化掉数组
return 0;
}
该程序尝试在栈上分配约 40 MB 数组，超出栈容量，溢出至禁区。
Windows 下输出：
HelloWorld.exe (process 15916) exited with code -1073741571.
-1073741571（16 进制 c0000005）为 Windows 访问违规码；hi 尚未打印程序即被终止。
示例 2：无限递归
#include <iostream>
int g_counter{ 0 };
void eatStack()
{
std::cout << ++g_counter << ' ';
if (g_counter > 0)
eatStack(); // 递归调用自身
std::cout << "hi"; // 防止尾调用优化
}
int main()
{
eatStack();
return 0;
}
每次调用 eatStack() 均压入新栈帧，永不返回，最终导致栈空间耗尽。
作者注：在作者 Windows 10 + Visual Studio Community IDE 上，Debug 模式下递归 4848 次后崩溃，Release 模式下为 128,679 次。
相关内容：我们将在后续《递归》中进一步讨论自调用函数。
栈的优缺点
- 栈上分配内存速度较快。
- 栈上内存随栈帧存在而存在，弹栈即销毁。
- 所有栈内存大小在编译期已知，可直接通过变量访问。
- 因栈容量有限，应避免大量占用栈空间，如分配或复制大型数组等资源密集型结构。
作者注：本注释另附简化信息，说明栈变量在运行时的布局及如何获得实际内存地址。
