程序員對內(nèi)存的清晰理解

在C和C++語言開發(fā)中，指針、內(nèi)存一直是學(xué)習(xí)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。

一、對內(nèi)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(jìn)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：

charszBuffer[2*1024*1024*1024];

當(dāng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)程之間是無法彼此看到對方的。當(dāng)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(biāo)題），不同的內(nèi)存塊動態(tài)映射等等。

二、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(dāng)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(jìn)程執(zhí)行過程中，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)具體細(xì)節(jié)，使每個進(jìn)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(jìn)程共享機器的物理內(nèi)存，當(dāng)內(nèi)存使用完時就用磁盤保存數(shù)據(jù)。在進(jìn)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(fù)責(zé)把虛擬地址翻譯為物理地址，并讓一個進(jìn)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(jìn)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(jìn)程有關(guān)的所有內(nèi)存都將被系統(tǒng)所使用，如果該進(jìn)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(jìn)程的所有相關(guān)信息都備份到磁盤上。

進(jìn)程只能操作位于物理內(nèi)存中的頁面。當(dāng)進(jìn)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(jìn)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(jìn)入內(nèi)存，進(jìn)程便被解鎖，可以重新運行——進(jìn)程本身并不知道它曾經(jīng)因為頁面換入事件等待了一會。

三、內(nèi)存的使用

對于程序員，我們最重要的是能理解不同進(jìn)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。如下圖：

（1）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。

（2）浮動棧：很多書上稱為“?！保褪浅绦蜷_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?？臻g的就拆除了，這部分內(nèi)容總是變來變?nèi)?，?nèi)存占用也不是固定，因此叫浮動棧。

（3）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?；斓揭黄?，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：

constintn = 100;voidFunc(void)

{

charch = 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，ch和pBuff這兩個函數(shù)內(nèi)部變量，ch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(dāng)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(xí)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constULONG 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(zhǔn)備一塊參數(shù)區(qū)域，從遠(yuǎn)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(fù)責(zé)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

//… …

}

四、內(nèi)存bug

無規(guī)則的濫用內(nèi)存和指針會導(dǎo)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(jǐn)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(dǎo)致壞指針的原因是對指針進(jìn)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(jìn)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(jìn)行解除引用操作，從而導(dǎo)致不可預(yù)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);

}