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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(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)?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(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(kāi)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(kāi)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。