Open Cascade中的內存管理

Memory Management in Open Cascade

eryar@163.com

一、C++中的內存管理 Memory Management in C++

1. 引言

為了表現出多態，在C++中就會用到大量的指針和引用。指針所指的對象是從內存空間中借來的，當然要及時歸還。特別是指針在程序中隨心所欲地創建，因此，一個指針究竟指向哪個對象，一個對象到底被幾個指針所指向，是程序員十分關注的事情。

C++中涉及到的內存管理問題可以歸結為兩方面：正確地掌握它和有效地使用它。好的程序員會理解這兩個問題為什么要以這樣的順序列出。因為執行得再快、體積再小的程序，如果不按所期望的方式去執行也是沒什么用處的程序。對于大多數程序員，正確地掌握意味著正確地調用內存分配和釋放函數；有效地使用意味著編寫自定義版本的內存分配和釋放函數。顯然，正確地掌握它要重要些。

在C中，只要用malloc分配的內存沒有用free釋放就會產生內存泄露。在C++中肇事者的名字換成了new和delete，但是問題依然存在。當然，有了析構函數情況稍有改觀。因為析構函數為所有將被銷毀的對象提供了一個方便的調用delete的場所，但這同時又帶來了更多的煩惱，因為new和delete是隱式地調用構造函數和析構函數的。而且可以在類中和類外自定義new和delete操作符，這又帶來了復雜性，增加出錯的機會。

2. 內存分配方式

內存分配有三種方式：

u 從靜態存儲區域分配。內存在編譯時就已經分配好，這塊內存在程序的整個運行期間都存在。例如全局變量、static變量；

u 從棧上分配。在執行函數時，函數內的局部變量的存儲單元都能在棧上創建，函數執行結束時，這些存儲單元自動被釋放。棧內存分配運算內置于處理器的指令集中，效率很高，但是分配內存容量有限；

u 從堆上分配，亦稱動態內存分配。程序在運行時用malloc或new申請任意多少的內存，程序員自己負責在用完時使用free或delete來釋放內存。動態內存的生存期由我們決定，使用起來很靈活，但問題也最多。

二、Open Cascade中的內存管理 Memory Management in Open Cascade

在幾何建模的過程中，程序創建和刪除了大量的對象在動態內存中，也就是堆中。在這種情況下，標準C++的內存管理方式不是很高效，所以Open Cascade在包Standard中專門寫了個內存管理程序（Memory Manager）來對內存的分配與刪除進行管理。

1． 用法 Usage

為了在C代碼中使用Open Cascade提供的內存管理器，只需要將原來使用malloc的地方使用Standard::Allocate來代替，原來使用free的地方使用Standard::Free來代替。另外，原來使用realloc的地方使用Standard::Reallocate來代替即可。

在C++中，operator new 和 delete都重新定義以便使用Open Cascade的內存管理器。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的內存管理器來管理。

CDL extractor為在其中所有類都采用這種方式來重新定義operator new和delete，這樣Open Cascade所有的類（少數除外）都是使用Open Cascade的內存管理器來管理。

2． 配置內存管理器 Configuring memory manager

Open CASCADE內存管理器可以配置，按不同的優化方式來分配內存，主要還是看需要分配內存的大小，或者不使用內存優化而直接使用malloc和free。

配置方式為設置如下環境變量的值：

l MMGT_OPT：若設置為1（默認值也是為1），內存管理器將使用內存優化的方式來管理內存；若設置為0，則內存的分配就是直接調用C的函數malloc和free來對內存進行管理，此時，所有其它選項除了MMGT_CLEAR外都將被忽略。若設置為2，則會使用Intel的TBB來對內存的分配進行優化，此時需要有TBB的庫。

l MMGT_CLEAR：若設置為1（默認值也是為1），分配的內存塊將被清零；若設置為0，則內存塊將以分配時的值返回。

l MMGT_CELLSIZE：定義了內存池中可分配內存塊的最大值。默認值為200。

l MMGT_NBPAGES：定義了頁面上可分配的小的內存塊的數量，默認值為1000。

l MMGT_THRESHOLD：定義了循環利用的而不是返回給堆的內存塊的數量，默認值為4000。

l MMGT_MMAP：若設置為1（默認值也是為1），大內存塊的分配將會使用操作系統的內存映射函數。若設置為0，內存的分配將會直接使用malloc直接在堆上分配。

l MMGT_REENTRANT：若設置為1（默認值為0），所有調用內存優化的函數將會被保證安全，即使有多個不同的線程。當在使用內存優化管理（MMGT_OPT=1）內存及多線程的程序時，這個值需要設置為1。

注：為了使用Open Cascade在多線程的程序中表現出更好的性能，推薦如下兩種設置方式：

l MMGT_OPT=0

l MMGT_OPT=1 and MMGT_REENTRANT=1

3． 程序實現 Implementation details

類Standard_MMgrRoot為內存管理器的抽象類，它定義了內存分配的釋放的虛函數。通過環境變量MMGT_OPT來選擇不同的內存管理類，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MMGT_OPT設置為1時，將會使用類Standard_MMgrOpt來對內存的分配與釋放進行優化。優化方法如下：

l 小型內存塊（小于MMGT_CELLSIZE的內存）不是單獨分配。而是分配一個大的內存池（每個內存池的大小是MMGT_NBPAGES），每個新建內存都被安排在當前的內存池中空閑的地方。若當前內存池被占滿，則分配另一個內存池。在當前的版本中，內存池不會返回給系統（直到程序結束）。然而，調用函數Standard::Free()被釋放的內存塊會被free列表記錄，以便在下一個相同大小的內存塊分配時重新利用（循環使用）。

l 中型內存塊（大小在MMGT_CELLSIZE和MMGT_THRESHOLD之間的內存塊）由C的函數malloc和free直接管理。當這樣的內存塊被調用函數Standard::Free釋放時，它們也像小型內存塊那樣被循環使用。與小型內存塊不同的是，被釋放的free列表中包含的中型內存塊可以通過函數Standard::Purge，使其返回到堆中。

l 大型內存塊（大于MMGT_THRESHOLD的內存塊，包含用于管理小型內存塊的內存池）的分配取決于MMGT_MMAP的值：若為0，這些內存塊在堆中分配；否則，將會使用操作系統的專用的管理內存映射文件的函數來分配。當使用Standard::Free來釋放大型內存塊時，大型內存塊立即返回給系統。

4． 利與弊 Benefits and drawbacks

Open Cascade使用內存管理器的最大好處就是其對小型內存塊的循環使用機制。當程序需要對大量小型內存塊進行分配與釋放時，這種機制使程序速度更快。實踐表明，使用這種方式程序的性能可以提高50%以上。

相應的弊端就是循環使的內存在程序運行時不會返回給系統。這就可能導致大量的內存消耗，甚至可能導致內存泄露。為了避免這種情況，應該在大量使內存的操作結束后調用函數Standard::Purge。

使用Open Cascade的內存管理器（Memory Manager）導致的所有的內存開銷有：

l 分配的每個內存塊的大小都會以8個字節向上取整。（看其源代碼應該是以的個字節向上取整，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個字節（在64位的操作系統上是8個字節）將在每個內存塊的開始部分分配，用來保存其大小（或用來保存下一個可用的內存塊的地址），只在MMGT_OPT為1時有效。

所以不管Open Cascade的內存管理器以優化方式還是標準方式來管理內存，內存總的消耗都將會大一些。