時間的痕跡

摘要： 本文主要對Windows內(nèi)存管理中的堆管理技術(shù)進行討論，并簡要介紹了堆的創(chuàng)建、內(nèi)存塊的分配與再分配、堆的撤銷以及new和delete操作符的使用等內(nèi)容。

　　關(guān)鍵詞： 堆；堆管理
　　1 引言

　　在大多數(shù)Windows應用程序設計中，都幾乎不可避免的要對內(nèi)存進行操作和管理。在進行大尺寸內(nèi)存的動態(tài)分配時尤其顯的重要。本文即主要對內(nèi)存管理中的堆管理技術(shù)進行論述。

　　堆（Heap）實際是位于保留的虛擬地址空間中的一個區(qū)域。剛開始時，保留區(qū)域中的多數(shù)頁面并沒有被提交物理存儲器。隨著從堆中越來越多的進行內(nèi)存分配，堆管理器將逐漸把更多的物理存儲器提交給堆。堆的物理存儲器從系統(tǒng)頁文件中分配，在釋放時有專門的堆管理器負責對已占用物理存儲器的回收。堆管理也是Windows提供的一種內(nèi)存管理機制。主要用來分配小的數(shù)據(jù)塊。與Windows的其他兩種內(nèi)存管理機制虛擬內(nèi)存和內(nèi)存映射文件相比，堆可以不必考慮諸如系統(tǒng)的分配粒度和頁面邊界之類比較煩瑣而又容易忽視的問題，可將注意力集中于對程序功能代碼的設計上。但是使用堆去分配、釋放內(nèi)存的速度要比其他兩種機制慢的多，而且不具備直接控制物理存儲器提交與回收的能力。

　　在進程剛啟動時，系統(tǒng)便在剛創(chuàng)建的進程虛擬地址空間中創(chuàng)建了一個堆，該堆即為進程的默認堆，缺省大小為1MB，該值允許在鏈接程序時被更改。進程的默認堆是比較重要的，可供眾多Windows函數(shù)使用。在使用時，系統(tǒng)必須保證在規(guī)定的時間內(nèi)，每此只有一個線程能夠分配和釋放默認堆中的內(nèi)存塊。雖然這種限制將會對訪問速度產(chǎn)生一定的影響，但卻可以保證進程中的多個線程在同時調(diào)用各種Windows函數(shù)時對默認堆的順序訪問。在進程中允許使用多個堆，進程中包括默認堆在內(nèi)的每個堆都有一個堆句柄來標識。與自己創(chuàng)建的堆不同，進程默認堆的創(chuàng)建、銷毀均由系統(tǒng)來完成，而且其生命期早在進程開始執(zhí)行之前就已經(jīng)開始，雖然在程序中可以通過GetProcessHeap（）函數(shù)得到進程的默認堆句柄，但卻不允許調(diào)用HeapDestroy（）函數(shù)顯式將其撤消。

　　2 對動態(tài)創(chuàng)建堆的需求

　　前面曾提到，在進程中除了進程默認堆外，還可以在進程虛擬地址空間中動態(tài)創(chuàng)建一些獨立的堆。至于在程序設計時究竟需不需要動態(tài)創(chuàng)建獨立的堆可以從是否有保護組件的需要、是否能更加有效地對內(nèi)存進行管理、是否有進行本地訪問的需要、是否有減少線程同步開銷的需要以及是否有迅速釋放堆的需要等幾個方面去考慮。

　　對于是否有保護組件的需要這一原則比較容易理解。在圖1中，左邊的圖表示了一個鏈表（節(jié)點結(jié)構(gòu)）組件和一個樹（分支結(jié)構(gòu)）組件共同使用一個堆的情況。在這種情況下，由于兩組件數(shù)據(jù)在堆中的混合存放，如果節(jié)點3（屬于鏈表組件）的后幾個字節(jié)由于被錯誤改寫，將有可能影響到位于其后的分支2（屬于樹組件）。這將致使樹組件的相關(guān)代碼在遍歷其樹時由于內(nèi)存被破壞而無法進行。究其原因，樹組件的內(nèi)存是由于鏈表組建對其自身的錯誤操作而引起的。如果采用右圖所示方式，將樹組件和鏈表組件分別存放于一個獨立的堆中，上述情況顯然不會發(fā)生，錯誤將被局限于進行了錯誤操作的鏈表組件，而樹組件由于存放在獨立的堆中而受到了保護。


圖1 動態(tài)創(chuàng)建堆在保護組件中的作用

　　在上圖中，如果鏈表組件的每個節(jié)點占用12個字節(jié)，每個樹組件的分支占用16個字節(jié)如果這些長度不一的對象共用一個堆（左圖），在左圖中這些已經(jīng)分配了內(nèi)存的對象已占滿了堆，如果其中有節(jié)點2和節(jié)點4釋放，將會產(chǎn)生24個字節(jié)的碎片，如果試圖在24個字節(jié)的空閑區(qū)間內(nèi)分配一個16字節(jié)的分支對象，盡管要分配的字節(jié)數(shù)小于空閑字節(jié)數(shù)，但分配仍將失敗。只有在堆棧中分配大小相同的對象才可以實行更加有效的內(nèi)存管理。如果將樹組件換成其他長度為12字節(jié)的組件，那么在釋放一個對象后，另一個對象就可以恰好填充到此剛釋放的對象空間中。

　　進行本地訪問的需要也是一條比較重要的原則。系統(tǒng)會經(jīng)常在內(nèi)存與系統(tǒng)頁文件之間進行頁面交換，但如果交換次數(shù)過多，系統(tǒng)的運行性能就將受很大的影響。因此在程序設計時應盡量避免系統(tǒng)頻繁交換頁面，如果將那些會被同時訪問到的數(shù)據(jù)分配在相互靠近的位置上，將會減少系統(tǒng)在內(nèi)存和頁文件之間的頁面交換頻率。

　　線程同步開銷指的是默認條件下以順序方式運行的堆為保護數(shù)據(jù)在多個線程試圖同時訪問時不受破壞而必須執(zhí)行額外代碼所花費的開銷。這種開銷保證了堆對線程的安全性，因此是有必要的，但對于大量的堆分配操作，這種額外的開銷將成為一個負擔，并降低程序的運行性能。為避免這種額外的開銷，可以在創(chuàng)建新堆時通知系統(tǒng)只有單個線程對訪問。此時堆對線程的安全性將有應用程序來負責。

　　最后如果有迅速釋放堆的需要，可將專用堆用于某些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以整個堆去釋放，而不再顯式地釋放在堆中分配的每一個內(nèi)存塊。對于大多數(shù)應用程序，這樣的處理將能以更快的速度運行。



　　3 創(chuàng)建堆

　　在進程中，如果需要可以在原有默認堆的基礎上動態(tài)創(chuàng)建一個堆，可由HeapCreate（）函數(shù)完成：

HANDLE HeapCreate( 　DWORD flOptions, 　DWORD dwInitialSize, 　DWORD dwMaximumSize );

　　其第一個參數(shù)flOptions指定了對新建堆的操作屬性。該標志將會影響一些堆函數(shù)如HeapAlloc（）、HeapFree（）、HeapReAlloc（）和HeapSize（）等對新建堆的訪問。其可能的取值為下列標志及其組合：

屬性標志	說明
HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS	在遇到由于內(nèi)存越界等而引起的函數(shù)失敗時，由系統(tǒng)拋出一個異常來指出此失敗，而不是簡單的返回NULL指針。
HEAP_NO_SERIALIZE	指明互斥現(xiàn)象不會出現(xiàn)

　　參數(shù)dwInitialSize和dwMaximumSize分別為堆的初始大小和堆棧的最大尺寸。其中，dwInitialSize的值決定了最初提交給堆的字節(jié)數(shù)。如果設置的數(shù)值不是頁面大小的整數(shù)倍，則將被圓整到鄰近的頁邊界處。而dwMaximumSize則實際上是系統(tǒng)能為堆保留的地址空間區(qū)域的最大字節(jié)數(shù)。如果該值為0，那么將創(chuàng)建一個可擴展的堆，堆的大小僅受可用內(nèi)存的限制。如果應用程序需要分配大的內(nèi)存塊，通常要將該參數(shù)設置為0。如果dwMaximumSize大于0，則該值限定了堆所能創(chuàng)建的最大值，HeapCreate（）同樣也要將該值圓整到鄰近的頁邊界，然后再在進程的虛擬地址空間為堆保留該大小的一塊區(qū)域。在這種堆中分配的內(nèi)存塊大小不能超過0x7FFF8字節(jié)，任何試圖分配更大內(nèi)存塊的行為將會失敗，即使是設置的堆大小足以容納該內(nèi)存塊。如果HeapCreate（）成功執(zhí)行，將會返回一個標識新堆的句柄，并可供其他堆函數(shù)使用。

　　需要特別說明的是，在設置第一個參數(shù)時，對HEAP_NO_SERIALIZE的標志的使用要謹慎，一般應避免使用該標志。這是同后續(xù)將要進行的堆函數(shù)HeapAlloc（）的執(zhí)行過程有關(guān)系的，在HeapAlloc（）試圖從堆中分配一個內(nèi)存塊時，將執(zhí)行下述幾步操作：

　　1） 遍歷分配的和釋放的內(nèi)存塊的鏈接表

　　2） 搜尋一個空閑內(nèi)存塊的地址

　　3） 通過將空閑內(nèi)存塊標記為"已分配"來分配新內(nèi)存塊

　　4） 將新分配的內(nèi)存塊添加到內(nèi)存塊列表

　　如果這時有兩個線程1、2試圖同時從一個堆中分配內(nèi)存塊，那么線程1在執(zhí)行了上面的1和2步后將得到空間內(nèi)存塊的地址。但是由于CPU對線程運行時間的分片，使得線程1在執(zhí)行第3步操作前有可能被線程2搶走執(zhí)行權(quán)并有機會去執(zhí)行同樣的1、2步操作，而且由于先執(zhí)行的線程1并沒有執(zhí)行到第3步，因此線程2會搜尋到同一個空閑內(nèi)存塊的地址，并將其標記為已分配。而線程1在恢復運行后并不能知曉該內(nèi)存塊已被線程2標記過，因此會出現(xiàn)兩個線程軍認為其分配的是空閑的內(nèi)存塊，并更新各自的聯(lián)接表。顯然，象這種兩個線程擁有完全相同內(nèi)存塊地址的錯誤是非常嚴重而又是難以發(fā)現(xiàn)的。

　　由于只有在多個線程同時進行操作時才有可能出現(xiàn)上述問題，一種簡單的解決的辦法就是不使用HEAP_NO_SERIALIZE標志而只允許單個線程獨占地對堆及其聯(lián)接表擁有訪問權(quán)。如果一定要使用此標志，為了安全起見，必須確保進程為單線程的或是在進程中使用了多線程，但只有單個線程對堆進行訪問。再就是使用了多線程，也有多個線程對堆進行了訪問，但這些線程通過使用某種線程同步手段。如果可以確保以上幾條中的一條成立，也是可以安全使用HEAP_NO_SERIALIZE標志的，而且還將擁有快的訪問速度。如果不能肯定上述條件是否滿足，建議不使用此標志而以順序的方式訪問堆，雖然線程速度會因此而下降但卻可以確保堆及其中數(shù)據(jù)的不被破壞。

　　4 從堆中分配內(nèi)存塊

　　在成功創(chuàng)建一個堆后，可以調(diào)用HeapAlloc（）函數(shù)從堆中分配內(nèi)存塊。在此，除了可以從用HeapCreate（）創(chuàng)建的動態(tài)堆中分配內(nèi)存塊，也可以直接從進程的默認堆中分配內(nèi)存塊。下面先給出HeapCreate（）的函數(shù)原型：

LPVOID HeapAlloc( 　HANDLE hHeap, 　DWORD dwFlags, 　DWORD dwBytes );

　　其中，參數(shù)hHeap為要分配的內(nèi)存塊來自的堆的句柄，可以是從HeapCreate（）創(chuàng)建的動態(tài)堆句柄也可以是由GetProcessHeap（）得到的默認堆句柄。參數(shù)dwFlags指定了影響堆分配的各個標志。該標志將覆蓋在調(diào)用HeapCreate（）時所指定的相應標志，可能的取值為：

標志	說明
HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS	該標志指定在進行諸如內(nèi)存越界操作等情況時將拋出一個異常而不是簡單的返回NULL指針
HEAP_NO_SERIALIZE	強制對HeapAlloc（）的調(diào)用將與訪問同一個堆的其他線程不按照順序進行
HEAP_ZERO_MEMORY	如果使用了該標志，新分配內(nèi)存的內(nèi)容將被初始化為0

　　最后一個參數(shù)dwBytes設定了要從堆中分配的內(nèi)存塊的大小。如果HeapAlloc（）執(zhí)行成功，將會返回從堆中分配的內(nèi)存塊的地址。如果由于內(nèi)存不足或是其他一些原因而引起HeapAlloc（）函數(shù)的執(zhí)行失敗，將會引發(fā)異常。通過異常標志可以得到引起內(nèi)存分配失敗的原因：如果為STATUS_NO_MEMORY則表明是由于內(nèi)存不足引起的；如果是STATUS_ACCESS_VIOLATION則表示是由于堆被破壞或函數(shù)參數(shù)不正確而引起分配內(nèi)存塊的嘗試失敗。以上異常只有在指定了HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS標志時才會發(fā)生，如果沒有指定此標志，在出現(xiàn)類似錯誤時HeapAlloc（）函數(shù)只是簡單的返回NULL指針。

　　在設置dwFlags參數(shù)時，如果先前用HeapCreate（）創(chuàng)建堆時曾指定過HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS標志，就不必再去設置HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS標志了，因為HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS標志已經(jīng)通知堆在不能分配內(nèi)存塊時將會引發(fā)異常。另外，對HEAP_NO_SERIALIZE標志的設置應慎重，與在HeapCreate（）函數(shù)中使用HEAP_NO_SERIALIZE標志類似，如果在同一時間有其他線程使用同一個堆，那么該堆將會被破壞。如果是在進程默認堆中進行內(nèi)存塊的分配則要絕對禁用此標志。

　　在使用堆函數(shù)HeapAlloc（）時要注意：堆在內(nèi)存管理中的使用主要是用來分配一些較小的數(shù)據(jù)塊，如果要分配的內(nèi)存塊在1MB左右，那么就不要再使用堆來管理內(nèi)存了，而應選擇虛擬內(nèi)存的內(nèi)存管理機制。


　　5 再分配內(nèi)存塊

　　在程序設計時經(jīng)常會由于開始時預見不足而造成在堆中分配的內(nèi)存塊大小的不合適（多數(shù)情況是開始時分配的內(nèi)存較小，而后來實際需要更多的數(shù)據(jù)復制到內(nèi)存塊中去）這就需要在分配了內(nèi)存塊后再根據(jù)需要調(diào)整其大小。堆函數(shù)HeapReAlloc（）將完成這一功能，其函數(shù)原型為：

LPVOID HeapReAlloc( 　HANDLE hHeap, 　DWORD dwFlags, 　LPVOID lpMem, 　DWORD dwBytes );

　　其中，參數(shù)hHeap為包含要調(diào)整其大小的內(nèi)存塊的堆的句柄。dwFlags參數(shù)指定了在更改內(nèi)存塊大小時HeapReAlloc（）函數(shù)所使用的標志。其可能的取值為HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS、HEAP_NO_SERIALIZE、HEAP_REALLOC_IN_PLACE_ONLY和HEAP_ZERO_MEMORY，其中前兩個標志的作用與在HeapAlloc（）中的作用相同。HEAP_REALLOC_IN_PLACE_ONLY標志在內(nèi)存塊被加大時不移動堆中的內(nèi)存塊，在沒有設置此標志的情況下如果對內(nèi)存進行增大，那么HeapReAlloc（）函數(shù)將有可能將原內(nèi)存塊移動到一個新的地址。顯然，在設置了該標志禁止內(nèi)存快首地址進行調(diào)整時，將有可能出現(xiàn)沒有足夠的內(nèi)存供試圖增大的內(nèi)存塊使用，對于這種情況，函數(shù)對內(nèi)存塊增大調(diào)整的操作是失敗的，內(nèi)存塊將仍保留原有的大小和位置。HEAP_ZERO_MEMORY標志的用處則略有不同，如果內(nèi)存快經(jīng)過調(diào)整比以前大，那么新增加的那部分內(nèi)存將被初始化為0；如果經(jīng)過調(diào)整內(nèi)存塊縮小了，那么該標志將不起任何作用。

　　函數(shù)的最后兩個參數(shù)lpMem和dwBytes分別為指向再分配內(nèi)存塊的指針和再分配的字節(jié)數(shù)。如果函數(shù)成功執(zhí)行，將返回新的改變了大小的內(nèi)存塊的地址。如果在調(diào)用時使用了HEAP_REALLOC_IN_PLACE_ONLY標志，那么返回的地址將與原內(nèi)存塊地址相同。如果因為內(nèi)存不足等原因而引起函數(shù)的執(zhí)行失敗，函數(shù)將返回一個NULL指針。但是HeapReAlloc（）的執(zhí)行失敗并不會影響原內(nèi)存塊，它將保持原來的大小和位置繼續(xù)存在。可以通過HeapSize（）函數(shù)來檢索內(nèi)存塊的實際大小。

　　6 釋放堆內(nèi)存、撤消堆

　　在不再需要使用堆中的內(nèi)存塊時，可以通過HeapFree（）將其予以釋放。該函數(shù)結(jié)構(gòu)比較簡單，只含有三個參數(shù)：

BOOL HeapFree( 　HANDLE hHeap, 　DWORD dwFlags, 　LPVOID lpMem );

　　其中，hHeap為要包含要釋放內(nèi)存塊的堆的句柄；參數(shù)dwFlags為堆棧的釋放選項可以是0，也可以是HEAP_NO_SERIALIZE；最后的參數(shù)lpMem為指向內(nèi)存塊的指針。如果函數(shù)成功執(zhí)行，將釋放指定的內(nèi)存塊，并返回TRUE。該函數(shù)的主要作用是可以用來幫助堆管理器回收某些不使用的物理存儲器以騰出更多的空閑空間，但是并不能保證一定會成功。

　　最后，在程序退出前或是應用程序不再需要其創(chuàng)建的堆了，可以調(diào)用HeapDestory（）函數(shù)將其銷毀。該函數(shù)只包含一個參數(shù)--待銷毀的堆的句柄。HeapDestory（）的成功執(zhí)行將可以釋放堆中包含的所有內(nèi)存塊，也可將堆占用的物理存儲器和保留的地址空間區(qū)域全部重新返回給系統(tǒng)并返回TRUE。該函數(shù)只對由HeapCreate（）顯式創(chuàng)建的堆起作用，而不能銷毀進程的默認堆，如果強行將由GetProcessHeap（）得到的默認堆的句柄作為參數(shù)去調(diào)用HeapDestory（），系統(tǒng)將會忽略對該函數(shù)的調(diào)用。


　　7 對new與delete操作符的重載

　　new與delete內(nèi)存空間動態(tài)分配操作符是C++中使用堆進行內(nèi)存管理的一種常用方式，在程序運行過程中可以根據(jù)需要隨時通過這兩個操作符建立或刪除堆對象。new操作符將在堆中分配一個足夠大小的內(nèi)存塊以存放指定類型的對象，如果每次構(gòu)造的對象類型不同，則需要按最大對象所占用的空間來進行分配。new操作符在成功執(zhí)行后將返回一個類型與new所分配對象相匹配的指針，如果不匹配則要對其進行強制類型轉(zhuǎn)換，否則將會編譯出錯。在不再需要這個對象的時候，必須顯式調(diào)用delete操作符來釋放此空間。這一點是非常重要的，如果在預分配的緩沖里構(gòu)造另一個對象之前或者在釋放緩沖之前沒有顯式調(diào)用delete操作符，那么程序將產(chǎn)生不可預料的后果。在使用delete操作符時，應注意以下幾點：

　　1） 它必須使用于由運算符new返回的指針

　　2） 該操作符也適用于NULL指針

　　3） 指針名前只用一對方括號符，并且不管所刪除數(shù)組的維數(shù)，忽略方括號內(nèi)的任何數(shù)字

class CVMShow{ 　private: 　　static HANDLE m_sHeap; 　　static int m_sAllocedInHeap; 　public: 　　LPVOID operator new(size_t size); 　　void operator delete(LPVOID pVoid); } …… HANDLE m_sHeap = NULL; int m_sAllocedInHeap = 0; LPVOID CVMShow::operator new(size_t size) { 　if (m_sHeap == NULL) 　　m_sHeap = HeapCreate(HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS, 0, 0); 　　LPVOID pVoid = HeapAlloc(m_sHeap, 0, size); 　　if (pVoid == NULL) 　　　return NULL; 　　　m_sAllocedInHeap++; 　　return pVoid; } void CVMShow::operator delete(LPVOID pVoid) { 　if (HeapFree(m_sHeap, 0, pVoid)) 　　m_sAllocedInHeap--; 　　if (m_sAllocedInHeap == 0) 　　{ 　　　if (HeapDestory(m_sHeap)) 　　　　m_sHeap = NULL; 　　} }

　　在程序中除了直接用上述方法使用new和delete來建立和刪除堆對象外，還可以通過為C++類重載new和delete操作符來方便地利用堆棧函數(shù)。上面的代碼對它們進行了簡單的重載，并通過靜態(tài)變量m_sHeap和m_sAllocedInHeap在類CVMShow的所有實例間共享唯一的堆句柄（因為在這里CVMShow類的所有實例都是在同一個堆中進行內(nèi)存分配的）和已分配類對象的計數(shù)。這兩個靜態(tài)變量在代碼開始執(zhí)行時被分別初始化為NULL指針和0計數(shù)。

　　重載的new操作符在第一次被調(diào)用時，由于靜態(tài)變量m_sHeap為NULL標志著堆尚未創(chuàng)建，就通過HeapCreate（）函數(shù)創(chuàng)建一個堆并返回堆句柄到m_sHeap。隨后根據(jù)入口參數(shù)size所指定的大小在堆中分配內(nèi)存，同時已分配內(nèi)存塊計數(shù)器m_sAllocedInHeap累加。在該操作符的以后調(diào)用過程中，由于堆已經(jīng)創(chuàng)建，故不再創(chuàng)建堆，而是直接在堆中分配指定大小的內(nèi)存塊并對已分配的內(nèi)存塊個數(shù)進行計數(shù)。

　　在CVMShow類對象不再被應用程序所使用時，需要將其撤消，由重載的delete操作符完成此工作。delete操作符只接受一個LPVOID型參數(shù)，即被刪除對象的地址。該函數(shù)在執(zhí)行時首先調(diào)用HeapFree（）函數(shù)將指定的已分配內(nèi)存的對象釋放并對已分配內(nèi)存計數(shù)遞減1。如果該計數(shù)不為零則表明當前堆中的內(nèi)存塊沒有全部釋放，堆暫時不予撤消。如果m_sAllocedInHeap計數(shù)減到0，則堆中已釋放完所有的CVMShow對象，可以調(diào)用HeapDestory（）函數(shù)將堆銷毀，并將堆句柄m_sHeap設置為NULL指針。這里在撤消堆后將堆句柄設置為NULL指針的操作是完全必要的。如果不執(zhí)行該操作，當程序再次調(diào)用new操作符去分配一個CVMShow類對象時將會認為堆是存在的而會試圖在已撤消的堆中去分配內(nèi)存，顯然將會導致失敗。

　　象CVMShow這樣設計的類通過對new和delete操作符的重載，并且在一個堆中為所有的CVMShow類對象進行分配，可以節(jié)省在為每一個類都創(chuàng)建堆的分配開銷與內(nèi)存。這樣的處理還可以讓每一個類都擁有屬于自己的堆，并且允許派生類對其共享，這在程序設計中也是比較好的一種處理方法。

　　8 小結(jié)

　　在使用堆時有時會造成系統(tǒng)運行速度的減慢，通常是由以下原因造成的：分配操作造成的速度減慢；釋放操作造成的速度減慢；堆競爭造成的速度減慢；堆破壞造成的速度減慢；頻繁的分配和重分配造成的速度減慢等。其中，競爭是在分配和釋放操作中導致速度減慢的問題。基于上述原因，建議不要在程序中過于頻繁的使用堆。文中所述代碼均在Windows 2000 Professional下由Microsoft Visual C++ 6.0編譯通過。