Open Cascade中的內(nèi)存管理

Memory Management in Open Cascade

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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++中就會用到大量的指針和引用。指針?biāo)傅膶ο笫菑膬?nèi)存空間中借來的，當(dāng)然要及時歸還。特別是指針在程序中隨心所欲地創(chuàng)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?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。好的程序員會理解這兩個問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)行也是沒什么用處的程序。對于大多數(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)存沒有用free釋放就會產(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象提供了一個方便的調(diào)用delete的場所，但這同時又帶來了更多的煩惱，因?yàn)?b>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，這又帶來了復(fù)雜性，增加出錯的機(jī)會。

2. 內(nèi)存分配方式

內(nèi)存分配有三種方式：

u 從靜態(tài)存儲區(qū)域分配。內(nèi)存在編譯時就已經(jīng)分配好，這塊內(nèi)存在程序的整個運(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，函數(shù)內(nèi)的局部變量的存儲單元都能在棧上創(chuàng)建，函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時，這些存儲單元自動被釋放。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，亦稱動態(tài)內(nèi)存分配。程序在運(yùn)行時用malloc或new申請任意多少的內(nèi)存，程序員自己負(fù)責(zé)在用完時使用free或delete來釋放內(nèi)存。動態(tài)內(nèi)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(nèi)存管理 Memory Management in Open Cascade

在幾何建模的過程中，程序創(chuàng)建和刪除了大量的對象在動態(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中專門寫了個內(nèi)存管理程序（Memory Manager）來對內(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(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(shù)除外）都是使用Open Cascade的內(nèi)存管理器來管理。

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來對內(nèi)存進(jìn)行管理，此時，所有其它選項(xiàng)除了MMGT_CLEAR外都將被忽略。若設(shè)置為2，則會使用Intel的TBB來對內(nèi)存的分配進(jìn)行優(yōu)化，此時需要有TBB的庫。

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)將會被保證安全，即使有多個不同的線程。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，這個值需要設(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)。通過環(huán)境變量MMGT_OPT來選擇不同的內(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，將會使用類Standard_MMgrOpt來對內(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。而是分配一個大的內(nèi)存池（每個內(nèi)存池的大小是MMGT_NBPAGES），每個新建內(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，則分配另一個內(nèi)存池。在當(dāng)前的版本中，內(nèi)存池不會返回給系統(tǒng)（直到程序結(jié)束）。然而，調(diào)用函數(shù)Standard::Free()被釋放的內(nèi)存塊會被free列表記錄，以便在下一個相同大小的內(nèi)存塊分配時重新利用（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，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)來分配。當(dāng)使用Standard::Free來釋放大型內(nèi)存塊時，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小型內(nèi)存塊的循環(huán)使用機(jī)制。當(dāng)程序需要對大量小型內(nèi)存塊進(jìn)行分配與釋放時，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)行時不會返回給系統(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 分配的每個內(nèi)存塊的大小都會以8個字節(jié)向上取整。（看其源代碼應(yīng)該是以的個字節(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個字節(jié)（在64位的操作系統(tǒng)上是8個字節(jié)）將在每個內(nèi)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(nèi)存塊的地址），只在MMGT_OPT為1時有效。

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)方式來管理內(nèi)存，內(nèi)存總的消耗都將會大一些。