Open Cascade 中的內(nèi)存管理
Memory Management in Open Cascade
一、 C ++中的內(nèi)存管理 Memory Management in C ++
1. 引言
為了表現(xiàn)出多態(tài)，在 C ++中就會(huì)用到大量的指針和引用。指針?biāo)傅膶?duì)象是從內(nèi)存空間中借來(lái)的，當(dāng)然要及時(shí)歸還。特別是指針在程序中隨心所欲地創(chuàng)建，因此，一個(gè)指針究竟指向哪個(gè)對(duì)象，一個(gè)對(duì)象到底被幾個(gè)指針?biāo)赶颍浅绦騿T十分關(guān)注的事情。
C ++中涉及到的內(nèi)存管理問(wèn)題可以歸結(jié)為兩方面：正確地掌握它和有效地使用它。好的程序員會(huì)理解這兩個(gè)問(wèn)題為什么要以這樣的順序列出。因?yàn)閳?zhí)行得再快、體積再小的程序，如果不按所期望的方式去執(zhí)行也是沒(méi)什么用處的程序。對(duì)于大多數(shù)程序員，正確地掌握意味著正確地調(diào)用內(nèi)存分配和釋放函數(shù)；有效地使用意味著編寫自定義版本的內(nèi)存分配和釋放函數(shù)。顯然，正確地掌握它要重要些。
在 C 中，只要用 malloc 分配的內(nèi)存沒(méi)有用 free 釋放就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存泄露。在 C ++中肇事者的名字換成了 new 和 delete ，但是問(wèn)題依然存在。當(dāng)然，有了析構(gòu)函數(shù)情況稍有改觀。因?yàn)槲鰳?gòu)函數(shù)為所有將被銷毀的對(duì)象提供了一個(gè)方便的調(diào)用 delete 的場(chǎng)所，但這同時(shí)又帶來(lái)了更多的煩惱，因?yàn)? new 和 delete 是隱式地調(diào)用構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)的。而且可以在類中和類外自定義 new 和 delete 操作符，這又帶來(lái)了復(fù)雜性，增加出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。
2. 內(nèi)存分配方式
內(nèi)存分配有三種方式：
u 從靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)域分配。內(nèi)存在編譯時(shí)就已經(jīng)分配好，這塊內(nèi)存在程序的整個(gè)運(yùn)行期間都存在。例如全局變量、 static 變量；
u 從棧上分配。在執(zhí)行函數(shù)時(shí)，函數(shù)內(nèi)的局部變量的存儲(chǔ)單元都能在棧上創(chuàng)建，函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時(shí)，這些存儲(chǔ)單元自動(dòng)被釋放。棧內(nèi)存分配運(yùn)算內(nèi)置于處理器的指令集中，效率很高，但是分配內(nèi)存容量有限；
u 從堆上分配，亦稱動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配。程序在運(yùn)行時(shí)用 malloc 或 new 申請(qǐng)任意多少的內(nèi)存，程序員自己負(fù)責(zé)在用完時(shí)使用 free 或 delete 來(lái)釋放內(nèi)存。動(dòng)態(tài)內(nèi)存的生存期由我們決定，使用起來(lái)很靈活，但問(wèn)題也最多。
二、 Open Cascade 中的內(nèi)存管理 Memory Management in Open Cascade
在幾何建模的過(guò)程中，程序創(chuàng)建和刪除了大量的對(duì)象在動(dòng)態(tài)內(nèi)存中，也就是堆中。在這種情況下，標(biāo)準(zhǔn) C ++的內(nèi)存管理方式不是很高效，所以 Open Cascade 在包 Standard 中專門寫了個(gè)內(nèi)存管理程序（ Memory Manager ）來(lái)對(duì)內(nèi)存的分配與刪除進(jìn)行管理。
1． 用法 Usage
為了在 C 代碼中使用 Open Cascade 提供的內(nèi)存管理器，只需要將原來(lái)使用 malloc 的地方使用 Standard :: Allocate 來(lái)代替，原來(lái)使用 free 的地方使用 Standard :: Free 來(lái)代替。另外，原來(lái)使用 realloc 的地方使用 Standard :: Reallocate 來(lái)代替即可。
在 C ++中， operator new 和 delete 都重新定義以便使用 Open Cascade 的內(nèi)存管理器。定義代碼如下所示：
public
:
//
Redefined operators new and delete ensure that handles are
//
allocated using OCC memory manager
void
*
operator
new
(size_t,
void
*
anAddress)
{
return
anAddress;
}
void
*
operator
new
(size_t size)
{
return
Standard::Allocate(size);
}
void
operator
delete(
void
*
anAddress, size_t )
{
if
(anAddress) Standard::Free(anAddress);
}
上述代碼是將 operator new 和 delete 及 placement new 都重新定義了，這樣的類的 new 和 delete 都將由 Open Cascade 的內(nèi)存管理器來(lái)管理。
CDL extractor 為在其中所有類都采用這種方式來(lái)重新定義 operator new 和 delete ，這樣 Open Cascade 所有的類（少數(shù)除外）都是使用 Open Cascade 的內(nèi)存管理器來(lái)管理。
2． 配置內(nèi)存管理器 Configuring memory manager
Open CASCADE 內(nèi)存管理器可以配置，按不同的優(yōu)化方式來(lái)分配內(nèi)存，主要還是看需要分配內(nèi)存的大小，或者不使用內(nèi)存優(yōu)化而直接使用 malloc 和 free 。
配置方式為設(shè)置如下環(huán)境變量的值：
l MMGT _ OPT ：若設(shè)置為 1 （默認(rèn)值也是為 1 ），內(nèi)存管理器將使用內(nèi)存優(yōu)化的方式來(lái)管理內(nèi)存；若設(shè)置為 0 ，則內(nèi)存的分配就是直接調(diào)用 C 的函數(shù) malloc 和 free 來(lái)對(duì)內(nèi)存進(jìn)行管理，此時(shí)，所有其它選項(xiàng)除了 MMGT _ CLEAR 外都將被忽略。若設(shè)置為 2 ，則會(huì)使用 Intel 的 TBB 來(lái)對(duì)內(nèi)存的分配進(jìn)行優(yōu)化，此時(shí)需要有 TBB 的庫(kù)。
l MMGT _ CLEAR ：若設(shè)置為 1 （默認(rèn)值也是為 1 ），分配的內(nèi)存塊將被清零；若設(shè)置為 0 ，則內(nèi)存塊將以分配時(shí)的值返回。
l MMGT _ CELLSIZE ：定義了內(nèi)存池中可分配內(nèi)存塊的最大值。默認(rèn)值為 200 。
l MMGT _ NBPAGES ：定義了頁(yè)面上可分配的小的內(nèi)存塊的數(shù)量，默認(rèn)值為 1000 。
l MMGT _ THRESHOLD ：定義了循環(huán)利用的而不是返回給堆的內(nèi)存塊的數(shù)量，默認(rèn)值為 4000 。
l MMGT _ MMAP ：若設(shè)置為 1 （默認(rèn)值也是為 1 ），大內(nèi)存塊的分配將會(huì)使用操作系統(tǒng)的內(nèi)存映射函數(shù)。若設(shè)置為 0 ，內(nèi)存的分配將會(huì)直接使用 malloc 直接在堆上分配。
l MMGT _ REENTRANT ：若設(shè)置為 1 （默認(rèn)值為 0 ），所有調(diào)用內(nèi)存優(yōu)化的函數(shù)將會(huì)被保證安全，即使有多個(gè)不同的線程。當(dāng)在使用內(nèi)存優(yōu)化管理（ MMGT _ OPT = 1 ）內(nèi)存及多線程的程序時(shí)，這個(gè)值需要設(shè)置為 1 。
注：為了使用 Open Cascade 在多線程的程序中表現(xiàn)出更好的性能，推薦如下兩種設(shè)置方式：
l MMGT _ OPT = 0
l MMGT _ OPT = 1 and MMGT _ REENTRANT = 1
3． 程序?qū)崿F(xiàn) Implementation details
類 Standard _ MMgrRoot 為內(nèi)存管理器的抽象類，它定義了內(nèi)存分配的釋放的虛函數(shù)。通過(guò)環(huán)境變量 MMGT _ OPT 來(lái)選擇不同的內(nèi)存管理類，如下代碼所示：
Standard_MMgrFactory::Standard_MMgrFactory() : myFMMgr(
0
)
{
char
*
var
;
Standard_Boolean bClear, bMMap, bReentrant;
Standard_Integer aCellSize, aNbPages, aThreshold, bOptAlloc;
//
bOptAlloc = atoi((
var
= getenv(
"
MMGT_OPT
"
)) ?
var
:
"
1
"
);
bClear
= atoi((
var
= getenv(
"
MMGT_CLEAR
"
)) ?
var
:
"
1
"
);
bMMap
= atoi((
var
= getenv(
"
MMGT_MMAP
"
)) ?
var
:
"
1
"
);
aCellSize
= atoi((
var
= getenv(
"
MMGT_CELLSIZE
"
)) ?
var
:
"
200
"
);
aNbPages
= atoi((
var
= getenv(
"
MMGT_NBPAGES
"
)) ?
var
:
"
1000
"
);
aThreshold
= atoi((
var
= getenv(
"
MMGT_THRESHOLD
"
)) ?
var
:
"
40000
"
);
bReentrant
= atoi((
var
= getenv(
"
MMGT_REENTRANT
"
)) ?
var
:
"
0
"
);
if
( bOptAlloc ==
1
) {
myFMMgr
=
new
Standard_MMgrOpt(bClear, bMMap, aCellSize, aNbPages, aThreshold, bReentrant);
}
else
if
( bOptAlloc ==
2
) {
myFMMgr
=
new
Standard_MMgrTBBalloc(bClear);
}
else
{
myFMMgr
=
new
Standard_MMgrRaw(bClear);
}
//
Set grobal reentrant flag according to MMGT_REENTRANT environment variable
if
( !
Standard_IsReentrant )
Standard_IsReentrant
=
bReentrant;
}
當(dāng) MMGT _ OPT 設(shè)置為 1 時(shí)，將會(huì)使用類 Standard _ MMgrOpt 來(lái)對(duì)內(nèi)存的分配與釋放進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方法如下：
l 小型內(nèi)存塊（小于 MMGT _ CELLSIZE 的內(nèi)存）不是單獨(dú)分配。而是分配一個(gè)大的內(nèi)存池（每個(gè)內(nèi)存池的大小是 MMGT _ NBPAGES ），每個(gè)新建內(nèi)存都被安排在當(dāng)前的內(nèi)存池中空閑的地方。若當(dāng)前內(nèi)存池被占滿，則分配另一個(gè)內(nèi)存池。在當(dāng)前的版本中，內(nèi)存池不會(huì)返回給系統(tǒng)（直到程序結(jié)束）。然而，調(diào)用函數(shù) Standard :: Free ()被釋放的內(nèi)存塊會(huì)被 free 列表記錄，以便在下一個(gè)相同大小的內(nèi)存塊分配時(shí)重新利用（循環(huán)使用）。
l 中型內(nèi)存塊（大小在 MMGT _ CELLSIZE 和 MMGT _ THRESHOLD 之間的內(nèi)存塊）由 C 的函數(shù) malloc 和 free 直接管理。當(dāng)這樣的內(nèi)存塊被調(diào)用函數(shù) Standard :: Free 釋放時(shí)，它們也像小型內(nèi)存塊那樣被循環(huán)使用。與小型內(nèi)存塊不同的是，被釋放的 free 列表中包含的中型內(nèi)存塊可以通過(guò)函數(shù) Standard :: Purge ，使其返回到堆中。
l 大型內(nèi)存塊（大于 MMGT _ THRESHOLD 的內(nèi)存塊，包含用于管理小型內(nèi)存塊的內(nèi)存池）的分配取決于 MMGT _ MMAP 的值：若為 0 ，這些內(nèi)存塊在堆中分配；否則，將會(huì)使用操作系統(tǒng)的專用的管理內(nèi)存映射文件的函數(shù)來(lái)分配。當(dāng)使用 Standard :: Free 來(lái)釋放大型內(nèi)存塊時(shí)，大型內(nèi)存塊立即返回給系統(tǒng)。
4． 利與弊 Benefits and drawbacks
Open Cascade 使用內(nèi)存管理器的最大好處就是其對(duì)小型內(nèi)存塊的循環(huán)使用機(jī)制。當(dāng)程序需要對(duì)大量小型內(nèi)存塊進(jìn)行分配與釋放時(shí)，這種機(jī)制使程序速度更快。實(shí)踐表明，使用這種方式程序的性能可以提高 50 %以上。
相應(yīng)的弊端就是循環(huán)使的內(nèi)存在程序運(yùn)行時(shí)不會(huì)返回給系統(tǒng)。這就可能導(dǎo)致大量的內(nèi)存消耗，甚至可能導(dǎo)致內(nèi)存泄露。為了避免這種情況，應(yīng)該在大量使內(nèi)存的操作結(jié)束后調(diào)用函數(shù) Standard :: Purge 。
使用 Open Cascade 的內(nèi)存管理器（ Memory Manager ）導(dǎo)致的所有的內(nèi)存開銷有：
l 分配的每個(gè)內(nèi)存塊的大小都會(huì)以 8 個(gè)字節(jié)向上取整。（看其源代碼應(yīng)該是以的個(gè)字節(jié)向上取整，源程序如下所示：）
Standard_Address Standard_MMgrRaw::Allocate(
const
Standard_Size aSize)
{
//
the size is rounded up to 4 since some OCC classes
//
(e.g. TCollection_AsciiString) assume memory to be double word-aligned
const
Standard_Size aRoundSize = (aSize +
3
) & ~
0x3
;
//
we use ?: operator instead of if() since it is faster :-)
Standard_Address aPtr = ( myClear ? calloc(aRoundSize,
sizeof
(
char
)) : malloc(aRoundSize) );
if
( !
aPtr )
Standard_OutOfMemory::Raise(
"
Standard_MMgrRaw::Allocate(): malloc failed
"
);
return
aPtr;
}
l 額外的 4 個(gè)字節(jié)（在 64 位的操作系統(tǒng)上是 8 個(gè)字節(jié)）將在每個(gè)內(nèi)存塊的開始部分分配，用來(lái)保存其大小（或用來(lái)保存下一個(gè)可用的內(nèi)存塊的地址），只在 MMGT _ OPT 為 1 時(shí)有效。
所以不管 Open Cascade 的內(nèi)存管理器以優(yōu)化方式還是標(biāo)準(zhǔn)方式來(lái)管理內(nèi)存，內(nèi)存總的消耗都將會(huì)大一些。
?
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