内存管理机制

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1、在编程中，很多Windows或C+ +的内存函数不知道有什么区别，更别谈有效使用； 根本的原因是，没有清楚的理解操作系统的内存管理机制，本文企图通过简单的总结描述, 结合实例来阐明这个机制。本文目的：对Windows内存管理机制了解清楚，有效的利用C+ +内存函数管理和使用内存。本文内容：本文一共有六节，由于篇幅较多，故按节发表。其他章节请看本人博客的Windows内存管 理及C+ +内存分配实例（一）（二）（三）（四）和（六）。1. 进程地址空间2. 内存状态查询函数3. 内存管理机制-虚拟内存（VM）4. 内存管理机制-内存映射文件（Map）5. 内存管理机制-堆（Heap）使用场合堆是进

2、程创建时在进程空间建立的区域，由堆管理器来管理。一个进程可以有很多个堆。进 程有一个默认堆为1M,可以动态的扩大。当程序需要管理很多小对象时，适合用堆；当需要的空间大于1M时，最好用虚拟内存来管 理。堆的优点是，有堆管理器来替它管理，不需管理具体的事情如页面边界和分配粒度等问题，你可以从调用函数看的出来，比VirtualAlloc的参数少了 不少。堆的缺点是分配和释放的速度比前几种机制要慢，所以最好不要超过1M；不像虚 拟内存那样随时提交和释放，因为它是由堆管理器决定的。如果用堆分配1G的空间，需要1分种，而用虚拟内存，则感觉不到任何延迟。默认堆进程默认堆是供所有线程使用的，每当线程需要从堆中

3、分配释放内存区时，系统会同步堆，所以访问速度较慢。它的默认大小是1M,同样的，你可以通过以下链接命令改变其大小：#pr agma comme nt(l in ker;7HEAP:102400000,1024000)第一个值是堆的保留空间，第二个值是堆开始时提交的物理内存大小。本文将堆改变为 100M。当你在程序中扩大了堆提交的物理内存时，进程运行时，物理内存将减少扩大的数量。但是, 默认堆总是可以扩大的，不能限制它的最大值。当你在程序中扩大了堆保留的空间时，进程运行时，可用进程空间将会减少扩大的数量。每次你用New操作符分配内存时，进程空间会相应的减少，物理内存也会相应的减少。一个重要的提示，

4、本文经过测试，如果你需要的内存块大部分都超过512K,那么，建堆时 给它的初始大小不应该很大，因为，如果你所需内存块大芳12K的话，它不是从堆中分配 的，也就是说不用堆中默认的空间，但其仍然属于堆管理。默认堆的一个用处是系统函数需要利用它运行。比女口，Windows2000的字符集是 UNICODE的，如果调用ANSI版本的函数，系统需要利用堆来从ANSI到UNICODE的 转换，调用UNICODE版本的函数。U 使用场合保护数据结构：将不同的数据结构存在不同的堆中，可以防止不同的结构之间由于指针误操作而破坏了它 们。消除内存碎片：将大小不同的结构保存在一个堆中，会导致碎片的产生，比如释放一个

5、小结构时，大结构也 不能利用它。独享堆的快速：如果用默认堆的话，线程之间是同步访问，速度慢；如果创建独享堆，则系统可以不需同步， 比较快。第二个快速体现在释放的快速，默认堆中，你只能释放某个内存块，而不能释放整个堆；而 独享堆可以一次释放堆，也就是释放了所有的内存块。U 开始使用建立堆：使用以下APIHANDLE HeapCreate（DWORD 选项，SIZE_T 初始大小，SIZE_T 最大 值）“选项”取值为0，不是以下任意一个HEAP_NO_SERIALIZ E,系统无需同步堆HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS,当创建失败或分配失败时产生异常。“初始大小”是堆的大小，系统

6、会规整到页面的整数倍，如04096的任何数都为4096；但 是，进程空间至少要64K。“最大值”是堆允许的最大值；为0则无限。使用HEAP_NO_SERIALIZE需确定只有单线程访问这个堆，否则有可能破坏堆；或程序 有同步代码来同步堆。C+程序如下：pHeap=(cha r* )GetP rocessHeap();prin tf(默认堆地址=%xn,pHeap);MEMORYSTATUS memStatus2;GlobalMem or yStatus( &memStatus2);HANDLEhHeap=HeapC reate(HEAP_NO_SERIALIZE|HEAP_GENERATE_E

7、XCEPTIONS,10 24* 1024*50,0);cha r* pHeap=(cha r* )hHeap;prin tf(新建堆 1 地址=%xn,pHeap);if(hHeap= = NULL)cout创建堆失败!endl;MEMORYSTATUS memStatus3;GlobalMem or yStatus( &memStatus3);cout建立堆后：endl;cout减少物理内存=memStatus2.dwAvailPhys-memStatus3.dwAvailPhys e ndl;cout 减 少 可 用 页 文 件 =memStatus2.dwAvailPageFile-m

8、emStatus3.dwAvailPageFileendl;cout 减 少 可 用 进 程 空 间 =memStatus2.dwAvailVirtua卜memStatus3.dwAvailVirtualendlendl;HANDLEhHeap2 = HeapC reate(HEAP_NO_SERIALIZE|HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS,1024*1024*10,0);cha r* pHeap2=(cha r* )hHeap2;prin tf(新建堆 2 地址=%xn,pHeap2);结果如下:默认堆地址=1533新建堆丄地址T %豳貓 建立堆后：减少物理包存-527H7

9、328 减少可用瓦文件2584448 减少可芹进程空1=52432896新建堆2地址=4h胡毎貓当建立堆1时,它分配了50M的物理内存给堆使用；当建立堆2时，堆2的地址是0x04bc0000 = 0x019c 0000+50* 1024*1024.使用以下APIPVOID HeapAlloc(HANDLE 堆句柄，DWORD 选项，SIZE_T 字节数)“选项”可以是，HEAP_ZERO_MEMORY，所有字节初始化为0HEAP_NO_SERIALIZE，堆这个内存区独享HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS,产生异常。如果创建堆有了它就不用再设了。异常可 能为：STATUS_NO_

10、MEMOR (无足够内存)和 STATUS_ACCESS_VIOLATION (堆被 破坏，分配失败)。C+程序如下：GlobalMem or yStatus(&memStatus3);PVOID pV=HeapAlloc(hHeap,HEAP_ZERO_MEMORY|HEAP_NO_SERIALIZE|HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS, 1024*507);if(pV= = NULL)cout分配堆内存失败!endl;char * pC=(char*)pV;prin tf(第一次分配地址=%xn,pC);MEMORYSTATUS memStatus4;GlobalMemo r

11、yStatus( &memStatus4);cout第一次堆分配后：endl;cout减少物理内存=memStatus3.dwAvailPhys-memStatus4.dwAvailPhys e ndl;cout 减 少 可 用 页 文 件 =memStatus3.dwAvailPageFile-memStatus4.dwAvailPageFileendl;cout 减 少 可 用 进 程 空 间 =memStatus3.dwAvailVirtua卜memStatus4.dwAvailVirtualendlendl;PVOID pV2=HeapAlloc(hHeap,HEAP_ZERO_MEM

12、ORY|HEAP_NO_SERIALIZE|HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS,1024*508)；if(pV2= = NULL)cout分配堆内存失败!endl;cha r * pC2=(cha r* )pV2;prin tf(第二次分配地址=%xn,pC2);MEMORYSTATUS memStatus5;GlobalMem or yStatus( &memStatus5);cout第二次堆分配后：endl;cout减少物理内存=memStatus4.dwAvailPhys-memStatus5.dwAvailPhys e ndl;cout 减 少 可 用 页 文 件 =me

13、mStatus4.dwAvailPageFile-memStatus5.dwAvailPageFileendl;cout 减 少 可 用 进 程 空 间 =memStatus4.dwAvailVirtua卜memStatus5.dwAvailVirtualendlendl;for(int i=0;i 200*1024;i+)pC2i=9;MEMORYSTATUS memStatus10;GlobalMemo ryStatus( &memStatus10);cout第二次堆使用一半后：endl;cout减少物理内存=memStatus5.dwAvailPhys-memStatus10.dwAva

14、ilPhys e ndl;cout 减 少 可 用 页 文 件 =memStatus5.dwAvailPageFile-memStatus10.dwAvailPageFileendl;cout减少可用进程空间=memStatus5.dwAvailVirtua卜memStatuslO.dwAvailVirtualendlendl;结果如下:=0 址后哪件宀宁 地配存文稈 配分费进 八篷理期用次次物可可 一一少少少0 总 2 4 2 S3 GC 4 0 3 2 C 00 5 6 2 - =5:09=s间 址后=4件宀宁 地配存文稈 配分费进 養理用用 次次物可可 二二少少少n 后S0翅 半94通间

15、 一=2件宀宁 畧文稈 使费进 堆遲用用 次物可可 二莎少少可以看出，第一次分配507K的地址为0x04ad d6500x04bc 0000,它是在堆中分 配的；第二次分配508K的地址为0x055c 00200x04bc 0000,它是在堆外分配的；无 论在多大的堆中，只要分配内存块大于507K时，都会在堆外分配，但是，它像在堆中一样， 存在堆的链接表中，受堆管理。分配时，系统使用的是虚拟页文件；只有在真正使用时，才 会分配物理内存。至于为什么分配大于507K会在堆外分配而不直接使用堆中的内存，目前仍然不清楚。改变大小：PVOID HeapReAlloc(HANDLE 堆句柄，DWORD 选

16、项，PVOID 旧内存块地址，SIZE_T 新内存块大小)“选项”除了以上三个外，还有HEAP_REALLOC_IN_PLACE_ONLY,指定不能移动原有内 存块的地址。C+程序如下：GlobalMemo ryStatus(&memStatus4);PVOID pV2New=HeapReAlloc(hHeap,0,pV2,1024*1024*2);if(pV2New! = NULL) cha r * pC2New=(cha r* )pV2New;prin tf(改变分配地址=%xn,pC2New);coutpC2New0endl;/coutpC20endl;出现访问违规SIZE_T lenN

17、 ew=HeapSize(hHeap,0,pV2New);cout改变后大小=lenNewendl;GlobalMem or yStatus( &memStatus5);cout改变分配后：endl;cout减少物理内存=memStatus4.dwAvailPhys-memStatus5.dwAvailPhys e ndl;cout 减 少 可 用 页 文 件 =memStatus4.dwAvailPageFile-memStatus5.dwAvailPageFileendl;cout减少可用进程空间=memStatus4.dwAvailVirtua卜memStatus5.dwAvailVir

18、tualendlendl;结果如下:改变分配地址=56锚沏G改变后大小=2697152改变分配后:減少物理内存=323584 减少可片贝文件-1581856 减少可飪进程空|=15?G96i?可以看出，新内存块紧接着原来内存块结束的地方开始创建，大小为2M;原来的内存块的内 容被销毁和释放，所以新内存块只减少了增加的内存量。一个缺点就是，新内存块居然不保 留原来内存的内容！另外，如果采用HEAP_REALLOC_IN_PLACE_ONLY的话，出现Not Eno ugh Quote异常。也就是说，当前内存的状况是，必须移动才可以扩大此内存块。查询内存：可以查询堆中一个内存块的大小。SIZE_T

19、 HeapSize(HANDLE 堆句柄，DWORD 选项，LPVOID 内存块地 址)“选项”可为0或 HEAP_NO_SERIALIZE。参考以上例子。释放内存块：BOOL HeapFree(HANDLE 堆句柄，DWORD 选项，PVOID 内存块地址)“选项”可为0或 HEAP_NO_SERIALIZE。C+程序如下：GlobalMem or yStatus( &memStatus5);HeapF ree(hHeap,0,pV2New);MEMORYSTATUS memStatus6;GlobalMem or yStatus( &memStatus6);cout第二次堆分配释放后：en

20、dl;cout增加物理内存=memStatus6.dwAvailPhys-memStatus5.dwAvailPhys e ndl;cout 增 加 可 用 页 文 件 =memStatus6.dwAvailPageFile-memStatus5.dwAvailPageFileendl;cout 增 加 可 用 进 程 空 间 =memStatus6.dwAvailVirtua卜memStatus5.dwAvailVirtualendlendl;结果如下：内存空间释放了原来的2M空间。释放堆：BOOL HeapDestroy(HANDLE 堆句柄)不能用它释放默认堆，系统忽略它的处理。这一次，

21、我们先在堆1中分配了70M的内存，由于它很大，所以，堆在堆外给它分配了内存，所以，堆1 一共有50M + 70M = 120M。释放程序如下：PVOIDpV4 = HeapAlloc(hHeap,HEAP_ZERO_MEMORY|HEAP_NO_SERIALIZE|HEAP_GE NERATE_EXCEPTIONS),1024*1024*70);if(pV4= = NULL)cout分配堆内存失败!endl;cha r * pC4=(cha r* )pV4;prin tf(第四次堆分配=%xn,pC4);MEMORYSTATUS memStatus9;GlobalMemo ryStatus(

22、&memStatus9);cout分配堆内存后：endl;cout减少物理内存=memStatus7.dwAvailPhys-memStatus9.dwAvailPhys e ndl;cout 减 少 可 用 页 文 件 =memStatus7.dwAvailPageFile-memStatus9.dwAvailPageFileendl;cout 减 少 可 用 进 程 空 间 =memStatus7.dwAvailVirtua卜memStatus9.dwAvailVirtualendlendl;SIZE_T len = HeapSize(hHeap,0,pV4);coutlen = lene

23、ndl;bool r e=HeapDest ro y(hHeap);if(r e=false)cout释放堆失败!endl;MEMORYSTATUS memStatus8;GlobalMem or yStatus( &memStatus8);cout释放堆后：endl;cout增加物理内存=memStatus8.dwAvailPhys-memStatus9.dwAvailPhys e ndl;cout 增 加 可 用 页 文 件 =memStatus8.dwAvailPageFile-memStatus9.dwAvailPageFileendl;cout 增 加 可 用 进 程 空 间 =me

24、mStatus8.dwAvailVirtua卜memStatus9.dwAvailVirtualendlendl;结果如下：如所猜想一样，释放了 120M内存。获取所有堆：DWORD GetProcessHeaps(DWORD 数量，PHANDLE 句柄数组)“数量”是你想获取的堆数目；“句柄数组”是获得的堆句柄。默认堆也可以获取。HANDLEhan dles10;memset(ha ndles,0,sizeof(ha ndles);GetP rocessHeaps(10,ha ndles);for(int i=0;i10;i+)cout堆i + 1 = handlesiendl;结果如下：堆

25、1=00150000 堆2=00250000 堆3=00260000堆4=詠肾刃孑0陆毎弃 堆5=00390000堆7=019C0B0B堆9=詠肾肾琴拜坯毎弃 堆丄0=3泉瑟00毎肾刃可以看见，一共有8个堆，堆1是默认堆，堆7和堆8是本文建立的堆。另外5个不知来 源。验证堆:BOOL HeapValidate（HANDLE 堆句柄，DWORD 选项，LPVOID 内存块地址）“选项”可为0或 HEAP_NO_SERIALIZE；“内存块地址”为NULL时，验证所有内存块。C+程序如下：HANDLEhan dles10;memset(ha ndles,0,sizeof(ha ndles);Get

26、P rocessHeaps(10,ha ndles);for(int i=0;i10;i+)cout堆i + 1 = handlesi if(HeapValidate(ha ndlesi,O,NULL)cout验证堆成功!endl;elsecoute ndl;结果如下：合并内存块：UINT HeapCompact(HANDLE 堆句柄，DWORD 选项)“选项”可为0或 HEAP_NO_SERIALIZE；此函数可以合并空闲内存块。HeapLock和HeapUnlock通常是系统使用的；HeapWalk可以遍历堆内存，需要以上两个函数。 C+ +内存函数Malloc 和 Free这是C语言使用

27、的函数，只能从默认堆中分配内存，并且只是分配内存，不能调用构造函 数，且只是按字节分配，不能按类型分配。New 和 Delete这是C+语言使用的函数，默认情况下从默认堆中分配内存，但是也可以通过重载New 函数，从自建堆中按类型分配；同时可以执行构造函数和析构函数。它底层是通过HeapAlloc和HeapFree实现的。依赖于编译器的实现。GlobalAlloc 和 GlobalFree这是比HeapAlloc和HeapFree更慢的函数，但是也没有比它们更好的优点，只能在默认 堆中分配；16位操作系统下利用它们分配内存。LocalAlloc 和 LocalFree在 WindowsNT 内

28、核里，和 GlobalAlloc、GlobalFree 是一样的。 一个例子默认情况下，New关键字是利用HeapAlloc在默认堆上建立对象。本文重载了类的New 方法，使得类在自己的堆中存放，这样可以与外面的对象隔离，以免重要的数据结构被意外破坏。由于类中的成员变量是在堆中存放，因此不局限于线程堆栈的1M空间。C+程序如下：class Allocate InO the rHeappublic:Allocate】 nOthe rHeap(void);AllocateI nO the rHeap(void);void * ope rator n ew(size_t size);static H

29、ANDLE heap;public:类对象唯一所需的空间int iArr ay1024*1024*10;Allocatel nO the rHeap:AllocateI nO the rHeap(void)coutAllocate】nOtherHeap()endl;如果New函数没有分配够空间，那么此处会出现访问违规memset(iA rr ay,0,sizeof(Allocate InO the rHeap);iArr ay1024=8;void * Allocate InO the rHeap:ope rat or n ew(size_t size) if(heap= = NULL)hea

30、p=HeapC reate(HEAP_NO_SERIALIZE|HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS,1O2 4* 1024*10,0);分配足够这个类对象的空间void * p=HeapAlloc(heap,0,sizeof(AllocateI nO the rHeap);cout堆的大小=HeapSize(heap,O,p)endl;prin tf(AllocateI nO the rHeap 堆地址=%xn,heap);prin tf(AllocateI nO the rHeap 返回地址=%xn,p);return p;AllocateI nO the rHeap:Allo

31、cateI nO the rHeap(void)coutAllocateInOtherHeapendl;void Allocate InO the rHeap:ope rat or delete(void * p)HeapF ree(heap,O,p);HeapDest ro y(heap);coutdelete。endl;；结果如下:=419 43 040列 1 locate InOtherHeapJ1=e aBBSSJlocateInOthepHeapiUilt=18a6020s;ewJ.locatelnOtherHeapO HocatelnOthepHe itp 只寸墓昕在地址=18a820 列 1 locate InOtherHeapjjS弃伤lj 大、=419430堪聃 仃 1 locate I nOtherHeap|j =41943040 il llocatel nOtherHeapde .ete可见，new函数先分配够空间，然后才能初始化对象变量；而delete函数得先做析构，才 能释放空间。对象保存在堆外，因为大于512K；对象大小刚好是iArray变量的大小。注意，如果没有分配足够的空间，虽然你可以得到对象指针，但是你访问数据时可能会出现 访问违规，如果没出现，那更惨，意味着你读写了别人的数据。