内存的分配及使用

 
内存是程序运行的环境，对内存的合理使用充斥着开发的全过程。

内存的分配

32位操作系统支持4GB内存的连续访问。但通常把内存分为两个2GB的空间，每个进程在运行时最大可以使用2GB的私有内存（0x00000000—0x7FFFFFFF）。
理论上支持的最大数组如下：
char szBuffer[2*1024*1024*1024];
当然，由于在实际运行时，程序还有代码段、临时变量段、动态内存申请等，实际是不可能用到上述那么大的数组的。
 
高端的2GB内存地址（0x80000000—0xFFFFFFFF），操作系统一般内部保留使用，即供操作系统内核代码使用。
 
在Windows和Linux平台上，一些动态链接库（Windows的dll，Linux的so）以及ocx控件等，由于是跨进程服务的，因此一般也在高2GB内存空间运行。（附议）
 
虽然每个进程都能看到自己的2GB内存以及系统的2GB内存，但不同进程之间是无法彼此看到对方的。此外，操作系统在底层也做了很多工作，比如磁盘上的虚拟内存交换，不同内存块之间的动态映射等。

虚拟内存

虚拟内存的基本思想是：用廉价但缓慢的磁盘来扩充快速却昂贵的内存。
 
在某一时刻，程序实际需要使用的虚拟内存区段的内容就被载入物理内存里。当物理内存中的数据有一段时间未被使用，它们就可能被操作系统转移到硬盘中，节省下来的物理内存空间用于载入其他需要使用的数据。
 
在进程执行过程中，操作系统负责具体细节，使每个进程都以为自己拥有整个地址空间的独家访问权。这个幻觉是通过“虚拟内存”实现的。所有进程共享机器的物理内存，当内存使用完时就用磁盘保存数据。在进程运行时，数据在磁盘和内存之间来回移动。内存管理硬件（MMU）负责把虚拟地址翻译为物理地址，并让一个进程始终运行于系统的真正内存中，应用程序员只看到虚拟地址，并不知道自己的进程在磁盘与内存之间来回切换。
 
从潜在的可能性上说，与进程有关的所有内存都将被系统所使用，如果该进程可能不会马上运行（可能它的优先级低，也可能是它处于睡眠状态），操作系统可以暂时取回所有分配给它的物理内存资源，将该进程的所有相关信息都备份到磁盘上。
 
进程只能操作位于物理内存中的页面。当进程引用一个不在物理内存中的页面时，MMU就会产生一个页错误。内存对此事做出响应，并判断该引用是否有效。如果无效，内核向进程发出一个“segmentation violation（段违规）”的信号，内核从磁盘取回该页，换入内存中，一旦页面进入内存，进程便被解锁，可以重新运行——进程本身并不知道它曾经因为页面换入事件等待了一会。

内存的使用

对于程序员，我们最重要的是能理解不同进程间私有内存空间的含义。
 
C和C++的编译器把私有内存分为3块：基栈、浮动栈和堆。如下图：
 
  1. 基栈：也叫静态存储区，这是编译器在编译期间就已经固定下来必须要使用的内存，如程序的代码段、静态变量、全局变量、const常量等。
  2. 浮动栈：很多书上称为“栈”，就是程序开始运行，随着函数、对象的一段执行，函数内部变量、对象的内部成员变量开始动态占用内存，浮动栈一般都有生命周期，函数结束或者对象析构，其对应的浮动栈空间的就拆除了，这部分内容总是变来变去，内存占用也不是固定，因此叫浮动栈。
  3. 堆：C和C++语言都支持动态内存申请，即程序运行期可以自由申请内存，这部分内存就是在堆空间申请的。堆位于2GB的最顶端，自上向下分配，这是避免和浮动栈混到一起，不好管理。我们用到malloc和new都是从堆空间申请的内存，new比malloc多了对象的支持，可以自动调用构造函数。另外，new创建对象，其成员变量位于堆里面。
我们来看一个例子：
const int n = 100; 

void Func(void)

{
    char ch = 0;
    char* pBuff = (char*)malloc(10);
    //…

}
这个例子中，如果函数Fun运行，其中n由于是全局静态变量，位于基栈，ch和pBuff这两个函数内部变量位于浮动栈，而pBuff指向的内存由malloc分配，位于堆栈。
 
在内存理解上，最著名的例子就是线程启动时的参数传递。
 
函数启动一个线程，很多时候需要向线程传参数，但是线程是异步启动的，即很可能启动函数已经退出了，而线程函数都还没有正式开始运行，因此，绝不能用启动函数的内部变量给线程传参。道理很简单，函数的内部变量在浮动栈，但函数退出时，浮动栈自动拆除，内存空间已经被释放了。当线程启动时，按照给的参数指针去查询变量，实际上是在读一块无效的内存区域，程序会因此而崩溃。
 
那怎么办呢？我们应该直接用malloc函数给需要传递的参数分配一块内存区域，将指针传入线程，线程收到后使用，最后线程退出时，free释放。
 
我们来看例子：
//这个结构体就是参数表 

typedef struct _CListen_ListenAcceptTask_Param_ 
{ 
    Linux_Win_SOCKET m_nSocket; 
    //其他参量… …
}SCListenAcceptTaskParam; 

//习惯性写法，设置结构体后，立即声明结构体的尺寸，为后续malloc提供方便
const ULONG SCListenAcceptTaskParamSize=sizeof(SCListenAcceptTaskParam); 

//这里接收到连接请求，申请参数区域，将关键信息带入参数区域，帮助后续线程工作。
bool CListen::ListenTaskCallback(void* pCallParam,int& nStatus) 
{ 

    //正常的函数逻辑… …
    //假定s是accept到的socket，需要传入后续线程工作
    //在此准备一块参数区域，从远堆上申请
    SCListenAcceptTaskParam* pParam=(SCListenAcceptTaskParam*) malloc(SCListenAcceptTaskParamSize); 

    //给参数区域赋值
    pParam->m_nSocket=s; 
    //此处启动线程，将pParam传递给线程… …
    //正常的函数逻辑… …

} 

//这是线程函数，负责处理上文accept到的socket 
bool CListen::ListenAcceptTask(void* pCallParam,int& nStatus) 
{ 

    //第一句话就是强制指针类型转换，获得外界传入的参数区域
    SCListenAcceptTaskParam* pParam= (SCListenAcceptTaskParam*)pCallParam; 

    //正常的函数逻辑… …
    //退出前，必须要做的工作，确保资源不被泄露
    close(pParam->m_nSocket); //关闭socket 
    free(pCallParam); // free传入的参数区域
    //… … 

}

内存bug

无规则的滥用内存和指针会导致大量的bug，程序员应该对内存的使用保持高度的敏感性和警惕性，谨慎地使用内存资源。
 
使用内存时最容易出现的bug是：
 
  • 坏指针值错误：
    1. 在指针赋值之前就用它来引用内存；
    2. 向库函数传送一个坏指针；
    3. 对指针进行释放之后再访问它的内容；
对于第三种问题，可以修改free语句，在指针释放之后再将它置为空值。
free(p); 
p = NULL;
这样，如果在指针释放之后继续使用该指针，至少程序能在终止之前进行信息转储。
  • 改写（overwrite）错误：
    1. 越过数组边界写入数据，
    2. 在动态分配的内存两端之外写入数据，
    3. 改写一些堆管理数据结构（在动态分配内存之前的区域写入数据就很容易发生这种情况）
p = malloc(256);
p[-1] = 0;
p[256] = 0;
  • 指针释放引起的错误：
    1. 释放同一个内存块两次；
    2. 释放一块未曾使用malloc分配的内存；
    3. 释放仍在使用中的内存；
    4. 释放一个无效的指针；
一个极为常见的与释放内存有关的错误就是在for(p=start;p=p->next)这样的循环中迭代一个链表，并在循环体内使用free(p)语句。这样，在下一次循环迭代时，程序就会对已经释放的指针进行解除引用操作，从而导致不可预料的结果。
我们可以这样迭代：
struct node *p, *tart, *temp;

for(p = start; p ; p = temp)
{
    temp = p->next;
    free(p);
}




posted @ 2011-12-20 10:34  __BSD__  阅读(528)  评论(0)  编辑  收藏  举报