程序員必須了解的內(nèi)存知識
在C和C++語言開發(fā)中,指針、內(nèi)存一直是學習的重點。因為C語言作為一種偏底層的中低級語言,提供了大量的內(nèi)存直接操作的方法,這一方面使程序的靈活度最大化,同時也為bug埋下很多隱患。
因此,無論如何,我們都要對內(nèi)存有一個清晰的理解。
1. 對內(nèi)存的分配32位操作系統(tǒng)支持4GB內(nèi)存的連續(xù)訪問,但通常把內(nèi)存分為兩個2GB的空間,每個進程在運行時最大可以使用2GB的私有內(nèi)存(0x00000000—0x7FFFFFFF)。即理論上支持如下的大數(shù)組:
char szBuffer[2*1024*1024*1024];
當然,由于在實際運行時,程序還有代碼段、臨時變量段、動態(tài)內(nèi)存申請等,實際上是不可能用到上述那么大的數(shù)組的。至于高端的2GB內(nèi)存地址(0x80000000—0xFFFFFFFF),操作系統(tǒng)一般內(nèi)部保留使用,即供操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼使用。在Windows和Linux平臺上,一些動態(tài)鏈接庫(Windows的dll,Linux的so)以及ocx控件等,由于是跨進程服務(wù)的,因此一般也在高2GB內(nèi)存空間運行。
可以看到,每個進程都能看到自己的2GB內(nèi)存以及系統(tǒng)的2GB內(nèi)存,但是不同進程之間是無法彼此看到對方的。當然,操作系統(tǒng)在底層做了很多工作,比如磁盤上的虛擬內(nèi)存交換(請看下以標題),不同的內(nèi)存塊動態(tài)映射等等。
2. 虛擬內(nèi)存虛擬內(nèi)存的基本思想是:用廉價但緩慢的磁盤來擴充快速卻昂貴的內(nèi)存。在一定時刻,程序?qū)嶋H需要使用的虛擬內(nèi)存區(qū)段的內(nèi)容就被載入物理內(nèi)存中。當物理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)有一段時間未被使用,它們就可能被轉(zhuǎn)移到硬盤中,節(jié)省下來的物理內(nèi)存空間用于載入需要使用的其他數(shù)據(jù)。
在進程執(zhí)行過程中,操作系統(tǒng)負責具體細節(jié),使每個進程都以為自己擁有整個地址空間的獨家訪問權(quán)。這個幻覺是通過“虛擬內(nèi)存”實現(xiàn)的。所有進程共享機器的物理內(nèi)存,當內(nèi)存使用完時就用磁盤保存數(shù)據(jù)。在進程運行時,數(shù)據(jù)在磁盤和內(nèi)存之間來回移動。內(nèi)存管理硬件負責把虛擬地址翻譯為物理地址,并讓一個進程始終運行于系統(tǒng)的真正內(nèi)存中,應(yīng)用程序員只看到虛擬地址,并不知道自己的進程在磁盤與內(nèi)存之間來回切換。
從潛在的可能性上說,與進程有關(guān)的所有內(nèi)存都將被系統(tǒng)所使用,如果該進程可能不會馬上運行(可能它的優(yōu)先級低,也可能是它處于睡眠狀態(tài)),操作系統(tǒng)可以暫時取回所有分配給它的物理內(nèi)存資源,將該進程的所有相關(guān)信息都備份到磁盤上。
進程只能操作位于物理內(nèi)存中的頁面。當進程引用一個不在物理內(nèi)存中的頁面時,MMU就會產(chǎn)生一個頁錯誤。內(nèi)存對此事做出響應(yīng),并判斷該引用是否有效。如果無效,內(nèi)核向進程發(fā)出一個“segmentation violation(段違規(guī))”的信號,內(nèi)核從磁盤取回該頁,換入內(nèi)存中,一旦頁面進入內(nèi)存,進程便被解鎖,可以重新運行——進程本身并不知道它曾經(jīng)因為頁面換入事件等待了一會。
3. 內(nèi)存的使用對于程序員,我們最重要的是能理解不同進程間私有內(nèi)存空間的含義。C和C++的編譯器把私有內(nèi)存分為3塊:基棧、浮動棧和堆。
基棧:也叫靜態(tài)存儲區(qū),這是編譯器在編譯期間就已經(jīng)固定下來必須要使用的內(nèi)存,如程序的代碼段、靜態(tài)變量、全局變量、const常量等。浮動棧:很多書上稱為“棧”,就是程序開始運行,隨著函數(shù)、對象的一段執(zhí)行,函數(shù)內(nèi)部變量、對象的內(nèi)部成員變量開始動態(tài)占用內(nèi)存,浮動棧一般都有生命周期,函數(shù)結(jié)束或者對象析構(gòu),其對應(yīng)的浮動棧空間的就拆除了,這部分內(nèi)容總是變來變?nèi)ィ瑑?nèi)存占用也不是固定,因此叫浮動棧。堆:C和C++語言都支持動態(tài)內(nèi)存申請,即程序運行期可以自由申請內(nèi)存,這部分內(nèi)存就是在堆空間申請的。堆位于2GB的最頂端,自上向下分配,這是避免和浮動棧混到一起,不好管理。我們用到malloc和new都是從堆空間申請的內(nèi)存,new比malloc多了對象的支持,可以自動調(diào)用構(gòu)造函數(shù)。另外,new創(chuàng)建對象,其成員變量位于堆里面。我們來看一個例子:
const int n = 100;void Func(void){char ch = 0;char* pBuff = (char*)malloc(10);//…}
這個函數(shù)如果運行,其中n由于是全局靜態(tài)變量,位于基棧,i和pBuff這兩個函數(shù)內(nèi)部變量,i位于浮動棧,而pBuff指向的由malloc分配的內(nèi)存區(qū),則位于堆棧。
在內(nèi)存理解上,最著名的例子就是線程啟動時的參數(shù)傳遞。
函數(shù)啟動一個線程,很多時候需要向線程傳參數(shù),但是線程是異步啟動的,即很可能啟動函數(shù)已經(jīng)退出了,而線程函數(shù)都還沒有正式開始運行,因此,絕不能用啟動函數(shù)的內(nèi)部變量給線程傳參。道理很簡單,函數(shù)的內(nèi)部變量在浮動棧,但函數(shù)退出時,浮動棧自動拆除,內(nèi)存空間已經(jīng)被釋放了。當線程啟動時,按照給的參數(shù)指針去查詢變量,實際上是在讀一塊無效的內(nèi)存區(qū)域,程序會因此而崩潰。
那怎么辦呢?我們應(yīng)該直接用malloc函數(shù)給需要傳遞的參數(shù)分配一塊內(nèi)存區(qū)域,將指針傳入線程,線程收到后使用,最后線程退出時,free釋放。
我們來看例子:
//這個結(jié)構(gòu)體就是參數(shù)表typedef struct _CListen_ListenAcceptTask_Param_ { Linux_Win_SOCKET m_nSocket; //其他參量… …}SCListenAcceptTaskParam; //習慣性寫法,設(shè)置結(jié)構(gòu)體后,立即聲明結(jié)構(gòu)體的尺寸,為后續(xù)malloc提供方便const ULONG SCListenAcceptTaskParamSize=sizeof(SCListenAcceptTaskParam); //這里接收到連接請求,申請參數(shù)區(qū)域,將關(guān)鍵信息帶入?yún)?shù)區(qū)域,幫助后續(xù)線程工作。bool CListen::ListenTaskCallback(void* pCallParam,int& nStatus) { //正常的函數(shù)邏輯… …//假定s是accept到的socket,需要傳入后續(xù)線程工作//在此準備一塊參數(shù)區(qū)域,從遠堆上申請SCListenAcceptTaskParam* pParam=(SCListenAcceptTaskParam*) malloc(SCListenAcceptTaskParamSize); //給參數(shù)區(qū)域賦值pParam->m_nSocket=s; //此處啟動線程,將pParam傳遞給線程… …//正常的函數(shù)邏輯… …} //這是線程函數(shù),負責處理上文accept到的socket bool CListen::ListenAcceptTask(void* pCallParam,int& nStatus) { //第一句話就是強制指針類型轉(zhuǎn)換,獲得外界傳入的參數(shù)區(qū)域SCListenAcceptTaskParam* pParam= (SCListenAcceptTaskParam*)pCallParam; //正常的函數(shù)邏輯… …//退出前,必須要做的工作,確保資源不被泄露close(pParam->m_nSocket); //關(guān)閉socket free(pCallParam); // free傳入的參數(shù)區(qū)域//… … }4. 內(nèi)存bug
無規(guī)則的濫用內(nèi)存和指針會導致大量的bug,程序員應(yīng)該對內(nèi)存的使用保持高度的敏感性和警惕性,謹慎地使用內(nèi)存資源。使用內(nèi)存時最容易出現(xiàn)的bug是:
1. 壞指針值錯誤:在指針賦值之前就用它來引用內(nèi)存,或者向庫函數(shù)傳送一個壞指針,第三種可能導致壞指針的原因是對指針進行釋放之后再訪問它的內(nèi)容。可以修改free語句,在指針釋放之后再將它置為空值。
free(p); p = NULL;
這樣,如果在指針釋放之后繼續(xù)使用該指針,至少程序能在終止之前進行信息轉(zhuǎn)儲。
2. 改寫(overwrite)錯誤:越過數(shù)組邊界寫入數(shù)據(jù),在動態(tài)分配的內(nèi)存兩端之外寫入數(shù)據(jù),或改寫一些堆管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(在動態(tài)分配內(nèi)存之前的區(qū)域?qū)懭霐?shù)據(jù)就很容易發(fā)生這種情況)
p = malloc(256); p[-1] = 0; p[256] = 0;
3. 指針釋放引起的錯誤:釋放同一個內(nèi)存塊兩次,或釋放一塊未曾使用malloc分配的內(nèi)存,或釋放仍在使用中的內(nèi)存,或釋放一個無效的指針。一個極為常見的與釋放內(nèi)存有關(guān)的錯誤就是在for(p=start;p=p->next)這樣的循環(huán)中迭代一個鏈表,并在循環(huán)體內(nèi)使用free(p)語句。這樣,在下一次循環(huán)迭代時,程序就會對已經(jīng)釋放的指針進行解除引用操作,從而導致不可預料的結(jié)果。
我們可以這樣迭代:
struct node *p, *tart, *temp;for(p = start; p ; p = temp){temp = p->next;free(p);}
關(guān)于程序員的內(nèi)存知識,就談到這里。
本文地址:http://www.nowamagic.net/librarys/veda/detail/786
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