C/C++ 变量初始化笔记

C/C++ 核心初始化原则

C/C++ 的设计哲学将执行效率置于首位。语言本身假设程序员了解其行为并会负责任地管理内存。因此，任何非必要的自动操作，包括内存初始化，都会被默认省去以避免不必要的性能开销。变量是否会被自动初始化，完全取决于其存储期 (Storage Duration)。

一、自动存储期

适用对象: 在函数体内部声明的非 static 局部变量。
存储位置: 调用栈 (Call Stack)。
生命周期: 当程序执行进入其所在的代码块时被创建，在退出代码块时被销毁。
默认初始值: 未定义 (Undefined)。变量所占用的内存中包含上一个栈帧遗留下来的、无意义的“垃圾值”。

底层机制

当一个函数被调用时，程序通过移动栈指针 (Stack Pointer) 来为该函数的栈帧分配空间。此操作仅预留内存空间，并不会对这块内存执行任何写操作或清零操作。声明一个局部变量（如 int x;）在汇编层面仅是为该变量命名了栈上的一个特定偏移地址，而不会生成任何初始化指令。只有当变量被显式初始化（如 int x = 0;）时，编译器才会生成额外的机器指令（例如 MOV 指令）将指定的值写入该内存地址。

初始化实践

对于自动存储期的变量，必须进行显式初始化以确保程序的确定性。

基本类型: 必须在声明时或首次使用前赋值。
```
int count = 0;
double tolerance = 1e-9;
```

聚合类型 (数组、结构体): 推荐使用聚合初始化。

规则: 在聚合初始化中，任何未被显式提供初始值的成员都将被自动进行零初始化。

示例:

// 将数组所有元素初始化为0
int numbers[100] = {0};

// 使用指定初始化器 (C99+) 初始化结构体，其余成员自动为零/NULL
typedef struct { Pair *buckets[1024]; int size; } HashMap;
HashMap map = { .size = 0, .buckets = { NULL } };

二、静态存储期

适用对象:
1. 在所有函数之外声明的全局变量。
2. 使用 static 关键字声明的文件作用域变量。
3. 使用 static 关键字声明的函数内部局部变量。
存储位置: 静态内存区，通常位于可执行文件的 .data 或 .bss 段。
生命周期: 在程序启动时被创建，在整个程序运行期间持续存在，直到程序终止时才被销毁。
默认初始值: 零初始化 (Zero-Initialization)。如果程序员没有提供显式的初始值，编译器和程序加载器会保证其被初始化为零。

底层机制

静态变量的初始化与可执行文件的结构密切相关：
* .data 段: 存放被显式初始化为非零值的静态变量。这些初始值本身被直接存储在可执行文件中。
* .bss 段 (Block Started by Symbol): 存放未被显式初始化或被初始化为零的静态变量。为了减小可执行文件的大小，文件本身只记录了 .bss 段所需的总字节数，而不会存储大量的零。当操作系统加载程序时，它会为 .bss 段分配内存，并由加载器负责将整个内存块填充为全零比特。

此机制确保了在 main 函数执行之前，所有静态存储期的变量都处于一个已知的、确定的零状态。

算术类型: 初始化为 0 或 0.0。
指针类型: 初始化为 NULL。
布尔类型: 初始化为 false。

三、动态存储期

适用对象: 通过内存分配函数（如 malloc, calloc）在堆 (Heap) 上分配的内存。
存储位置: 堆 (Heap)。
生命周期: 从内存分配函数成功返回时开始，直到该内存被显式释放（如 free）时结束。
默认初始值: 取决于所使用的分配函数。

函数行为差异

malloc(size_t size):
- 行为: 只负责分配指定大小的内存块，不对其内容做任何初始化。
- 初始值: 与自动存储期变量一样，是未定义的垃圾值。
- 实践: 使用 malloc 后，必须立即通过 memset 或其他方式手动初始化内存，以避免使用未定义的值。
calloc(size_t num, size_t size):
- 行为: 分配 num * size 字节的内存，并保证将分配的所有字节初始化为零。
- 初始值: 与静态存储期变量一样，是确定的零值。
- 实践: 当需要一块零初始化的内存时，calloc 是比 malloc 后跟 memset 更简洁、高效且安全的选择。

总结对照表

存储期	适用对象	存储位置	默认初始值	底层机制
自动	函数内局部变量	调用栈	未定义 (垃圾值)	仅移动栈指针，无额外初始化开销。
静态	全局/`static`变量	静态内存区 (`.data` / `.bss`)	零值 (`0`, `NULL`等)	由程序加载器根据可执行文件 `.bss` 段信息统一清零。
动态	堆上分配的内存	堆	`malloc`: 未定义 `calloc`: 零值	`malloc`: 仅分配。 `calloc`: 分配并清零。