Обзор методов управления памятью

Обо всех деталях отображения виртуальных адресов на физические адреса (virtual to physical memory mapping), механизмах страничной подкачки (page swapping) и замещения страниц по запросу (demand paging) и прочих моментах заботится ОС. Эти вопросы подробно обсуждаются в документации по ОС, а также в книге Соломона (Solomon) и Руссиновича (Russinovich) Inside Windows2000. Краткое изложение наиболее существенных сведений приводится ниже:

• Система может располагать сравнительно небольшим объемом физической памяти; на практике для всех систем, кроме Windows XP, необходимый минимум составляет 128 Мбайт, однако в типичных случаях доступные объемы физической памяти оказываются намного большими.[21]

• Каждый отдельный процесс — а таких процессов, как пользовательских, так и системных, может выполняться одновременно несколько — имеет собственное виртуальное адресное пространство, объем которого может значительно превосходить объем доступного физического адресного пространства. Например, емкость виртуального адресного пространства объемом 1 Гбайт, относящегося к одному процессу, в восемь раз превышает емкость физической памяти объемом 128 Мбайт, и таких процессов может быть множество.

• ОС преобразует виртуальные адреса в физические адреса.

• Для большинства виртуальных страниц в физической памяти места не хватит, поэтому ОС имеет возможность реагировать на страничные ошибки (page faults), возникающие при попытках обращения к страницам, которые отсутствуют в памяти, и загружать данные с жесткого диска — из системного файла подкачки (swap file) или из обычного файла. Будучи прозрачными для программиста, страничные ошибки отрицательно влияют на производительность, поэтому программы должны проектироваться таким образом, чтобы вероятность возникновения подобных ошибок была сведена к минимуму. Более подробное освещение этой темы, рассмотрение которой выходит за рамки данной книги, вы найдете в справочной документации по ОС.

На рис. 5.1 проиллюстрировано расположение уровней API управления памятью Windows поверх диспетчера виртуальной памяти (Virtual Memory Manager, VMM). API виртуальной памяти Windows (VirtualAlloc, VirtualFree, Virtual-Lock, VirtualUnlock и так далее) работает с целыми страницами. API кучи Windows управляет блоками памяти, размер которых определяется пользователем.

Мы не будем останавливаться на топологии адресного пространства виртуальной памяти, поскольку она не имеет непосредственного отношения к API, различна в Windows 9x и Windows NT и в будущем может измениться. Соответствующая информация содержится в документации Microsoft.

Тем не менее, многим программистам хотелось бы знать больше о своей среде разработки. Начните исследование структуры памяти в вашей системе с вызова следующей функции:

VOID GetSystemInfo(LPSYSTEM_INFO lpSystemInfo)

Параметром этой функции служит адрес структуры PSYSTEM_INFO, в которой содержится информация относительно размера системной страницы, а также адресах физической памяти, доступных для приложений.

Куча

Windows поддерживает пулы памяти, называемые кучами (heaps). Процесс может иметь несколько куч, которые используются для распределения памяти.

Рис. 5.1. Архитектура системы управления памятью Windows

Во многих случаях одной кучи вполне достаточно, но в силу ряда причин, о которых будет сказано ниже, иногда целесообразно иметь в своем распоряжении несколько куч. Если одной кучи вам хватает, можно обойтись использованием функций управления памятью, предоставляемых библиотекой С (malloc, free, calloc, realloc).

Кучи являются объектами Windows и, следовательно, имеют дескрипторы. Дескриптор кучи используется при распределении памяти. У каждого процесса имеется куча, заданная по умолчанию, которую использует функция malloc и для получения дескриптора которой используется следующая функция:

HANDLE GetProcessHeap(VOID)

Возвращаемое значение: дескриптор кучи процесса; в случае неуспешного завершения — NULL.

Заметьте, что для индикации неудачного завершения функции используется возвращаемое значение NULL, а не INVALID_HANDLE_VALUE, как в случае функции CreateFile.

Программа также может создать несколько различных куч. Иногда для размещения в памяти отдельных структур данных оказывается удобным, чтобы для каждой из них была предусмотрена своя куча. Использование независимых куч обеспечивает ряд преимуществ.

• Отсутствие взаимной дискриминации между потоками.Ни один из потоков не сможет получить больше памяти, чем распределено для ее кучи. В частности, так называемая утечка памяти (memory leak), возникающая в тех случаях, когда программа "забывает" своевременно освободить память, занятую элементами данных, необходимости в которых больше нет, будет влиять лишь на один поток процесса.[22]

• Повышение производительности.Предоставление собственной кучи каждого потока уменьшает состязательность между ними, в результате чего общая производительность программы может значительно повыситься. См. главу 9.

• Эффективность размещения данных.Размещение элементов данных фиксированного размера в небольшой куче может оказаться гораздо более эффективным, чем размещение множества элементов самых различных размеров в одной большой куче. При этом также уменьшается фрагментация памяти. Кроме того, предоставление каждого потока собственной кучи существенно упрощает синхронизацию потоков, что приводит к дополнительному повышению производительности.

• Эффективность освобождения памяти.Области памяти, распределенные для кучи в целом и всех структур данных, которые она содержит, могут быть освобождены с помощью единственного вызова функции. Этот вызов также устранит отрицательные последствия утечки памяти, связанной с данной кучей.

• Эффективность локализации обращений к памяти.Сохранение структуры данных в небольшой куче гарантирует, что для всех элементов данных потребуется сравнительно небольшое количество страниц, а это может уменьшить вероятность возникновения ошибок страниц в процессе обработки элементов структур данных.

Ценность указанных преимуществ может варьироваться в зависимости от приложения, и многие программисты ограничиваются использованием только кучи процесса, для управления которой используют функции библиотеки С. Однако такой выбор лишает программу возможности воспользоваться способностью функций управления памятью Windows генерировать исключения (обсуждается при рассмотрении функций). В любом случае для создания и уничтожения куч применяются две функции, описания которых приводятся ниже.[23]

Начальный размер кучи, устанавливаемый параметром dwInitialSize (который может быть нулевым), всегда округляется до величины, кратной размеру страницы, и определяет объем физической памяти (вфайле подкачки), который передается (commit) в распоряжение кучи (для последующего распределения памяти по запросам) первоначально, а не в ответ на запросы распределения (allocation) памяти из кучи. Когда программа исчерпывает первоначальный размер кучи, куче автоматически передаются дополнительные страницы памяти вплоть до пор, пока она не достигнет установленного для нее максимального размера. Поскольку файл подкачки является ограниченным ресурсом, рекомендуется откладывать передачу памяти куче на более поздний срок, если только заранее не известно, какой размер кучи потребуется. Максимально допустимый размер кучи при ее увеличении в результате динамического расширения определяется значением параметра dwMaximumSize (если оно ненулевое). Рост куч процессов, заданных по умолчанию, также осуществляется динамическим путем.

HANDLE HeapCreate(DWORD flOptions, SIZE_T dwInitialSize, SIZE_T dwMaximumSize)

Возвращаемое значение: дескриптор кучи; в случае неудачного завершения — NULL.

Типом данных обоих упомянутых полей, связанных с размерами кучи, является не DWORD, a SIZE_T. Тип данных SIZE_T определяется как 32– или 64-битовое целое число без знака, в зависимости от флагов компилятора (_WIN32 или _WIN64). Этот тип данных был введен специально для того, чтобы обеспечить возможность миграции приложений Win64 (см. главу 16), и охватывает весь диапазон 32– и 64-битовых указателей. Вариантом этого типа данных для чисел со знаком является тип SSIZE_T).

flOptions — этот параметр может объединять следующие два флага:

• HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS: в случае ошибки при распределении памяти вместо возврата значения NULL генерируется исключение, которое должно быть обработано средствами SEH (см. главу 4). Если установлен этот флаг, то такие исключения при сбоях будет возбуждаться не самой функцией HeapCreate, а такими функциями, как HeapAlloc, к рассмотрению которых мы вскоре перейдем.

• HEAP_NO SERIALIZE: при определенных обстоятельствах, о которых сказано ниже, установка этого флага может привести к незначительному повышению производительности.

Существуют другие важные моменты, связанные с параметром dwMaximumSize.

• Если параметр dwMaximumSize имеет ненулевое значение, то виртуальное адресное пространство резервируется в соответствии с этим значением, даже если первоначально не все оно передается в распоряжение кучи. Это значение определяет максимальный размер кучи, о котором в этом случае говорят как о нерастущем (nongrowable). Данный параметр ограничивает размер кучи, чтобы, например, обеспечить отсутствие дискриминации между потоками, о чем говорилось выше.

• Если же значение dwMaximumSize равно 0, то куча может расти (grow), превышая предел, установленный начальным размером, и в этом случае максимальный размер кучи ограничивается лишь объемом доступного виртуального адресного пространства, не распределенного в данный момент для других куч и файла подкачки.

Заметьте, что кучи не имеют атрибутов защиты, поскольку доступ к ним извне процесса невозможен. В то же время, для объектов отображения файлов, описанных далее в этой главе, защита предусмотрена (глава 15), так как они могут совместно использоваться несколькими процессами.

Для уничтожения объекта кучи используется функция HeapDestroy. Она также может служить примером исключения из общих правил, в данном случае — правила, согласно которому для удаления ненужных дескрипторов любого типа используется функция CloseHandle.

BOOL HeapDestroy(HANDLE hHeap)

Параметр hHeap должен указывать на кучу, созданную посредством вызова функции HeapCreate. Будьте внимательны и следите за тем, чтобы случайно не уничтожить кучу процесса, заданную по умолчанию (дескриптор которой получают с помощью функции GetProcessHeap). В результате уничтожения кучи освобождается область виртуального адресного пространства и физическая область сохранения файла подкачки. Разумеется, правильно спроектированная программа должна уничтожать кучи, необходимости в которых больше нет.

Помимо всего прочего, уничтожение кучи позволяет быстро освободить память, занимаемую структурами данных, избавляя вас от необходимости отдельного уничтожения каждой из структур, однако экземпляры объектов C++ уничтожены не будут, поскольку их деструкторы при этом не вызываются. Применение операции уничтожения кучи имеет следующие положительные стороны:

1. Отпадает необходимость в написании программного кода, обеспечивающего обход структур данных.

2. Отпадает необходимость в освобождении памяти, занимаемой каждым из элементов, по отдельности.

3. Система не затрачивает время на обслуживание кучи, поскольку отмена распределения памяти для всех элементов структуры данных осуществляется посредством единственного вызова функции.

Функции библиотеки С используют только одну кучу. В силу этого иметь дело с чем-либо, напоминающим дескрипторы куч Windows, в данном случае не приходится.

В UNIX адресное пространство процесса может быть увеличено с помощью функции sbrk, однако эта функция не является диспетчером памяти общего назначения.

При неудачных попытках распределения памяти в UNIX сигналы не генерируются, поэтому в программах должна быть предусмотрена явная проверка значений возвращаемых указателей.