Windows下不同的動態記憶體分配方式

Windows下不同的動態記憶體分配方式

這裡的"動態記憶體"包含以下兩個方面的內容：
  1.記憶體。這裡的"記憶體"指的是進程的虛擬記憶體空間。在Win32環境下，每一個進程擁有獨立的,大小為4G(0x0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF)的虛擬記憶體空間。
  2.動態。這裡的"動態"指的是進程虛擬記憶體空間中的動態記憶體地區。在一個進程的虛擬記憶體空間中，只有動態記憶體可以在運行是被應用程式自由的分配/使用/釋放。

在Win32環境下，我們可以使用多種方式來分配/使用/釋放動態記憶體，這些方式包括：
1.Win32 API. 這些API包括VirtualXXX()，HeapXXX(),LocalAlloc(),GlobalAlloc()。
2.C Run-Time Library.這些函數包括malloc(),free()。
3.C++提供的關鍵詞new和關鍵詞delete。

有這麼多的記憶體配置方式，我們在學習和實際項目中編碼過程中常常會為使用那種方式而感到迷惑。他們的內部實現是否相同?他們之間有什麼本質的區別?他們各自的使用場合又是怎樣的? 本文試圖通過深入探究他們的本質，為正確理解和使用他們提供一些依據。

首先，我們最好從全域的高度把握他們之間的關係。這裡有一張圖很好的描述了他們之間的層次關係：

這張圖給了我們一個全景，僅從這張圖我們就可以清楚地看到他們之間的層次關係：
  第一層：Win32 API作為系統的介面，提供了一組操作虛擬記憶體的介面；
  第二層：Heap作為虛擬記憶體的一部分，Win32 API又提供了一組操作Heap記憶體的介面，但是這些介面是建立在操作虛擬記憶體的介面的基礎上。
  第三層：Windows平台下的C Run-Time Library 又利用Heap API來實現malloc和free。

由此我們可以看出，這些動態記憶體操作方式之間存有單一的層次關係，位於這個層次的最低層的是Virtual Memory API，可以說這些方式都是建立在Virtual Memory API的基礎上。下面就從Virtual Memory API開始，逐層分析他們之間的區別：

一.Virtual Memory API
  作為Windows系統提供的最"核心"的對虛擬記憶體操作的介面，也作為其他幾種方式的基礎，Virtual Memory API應該在幾種方式中是最通用，也是功能最強大的一種方式。如果想對Virtual Memory API的使用深入的瞭解，可以參閱《Programming Application for Windows》(By Jeffrey Richter)

二.Heap Memory API
  我們在學習進程記憶體空間"映象"的時候，也提到了"Heap"這個概念，那個時候"Heap"指的是一段由應用程式在運行時動態分配的記憶體段(Segment)，和其他的記憶體段(程式碼片段，資料區段，棧段等)構成了進程的記憶體空間。而這裡的"Heap"指的是進程擁有的一種對象(Windows中有很多個物件，例如WINDOW，ICON，BRUSH)，當我們建立一個Heap對象的時候，我們就可以獲得這個對象的Handle,然後我們就可以使用這個handle來使用動態記憶體，最後銷毀這個對象。

三.LocalAlloc/GlobalAlloc
  這兩個函數是Win16 API中遺留下來的兩個函數，Win32 API為了保持相容性才包含了這兩個函數。這兩個函數內部是通過Heap Memory API來操作一個"特殊"的Heap對象：進程的預設堆對象。每一個進程在初始化的時候，都會建立一個預設的Heap對象，在進程結束的時候銷毀這個預設的Heap對象。LocalAlloc和GblobalAlloc的區別僅表現在Win16環境下，在Win16環境下，記憶體的地址是通過段:段內位移量來擷取的，LocalAlloc()只能在同一段內分配記憶體，而GlobalAlloc可以跨越段邊界訪問記憶體。 在Win32環境下記憶體訪問不存在這樣的限制，所以他們表現出相同的功能。由於Heap Memory API完全可以實現他們兩個的功能，所以在Win32下不推薦使用這兩個函數。

四.malloc/free
  這兩個函數是使用頻率最高的兩個函數，由於他們是標準C庫中的一部分，所以具有極高的移植性。這裡的"移植性"指的是使用他們的代碼可以在不同的平台下編譯通過，而不同的平台下的C Run-Time Library的具體實現是平台相關的，在Windows平台的C Run-Time Library中的malloc()和free()是通過調用Heap Memory API來實現的。值得注意的是C Run-Time Library擁有獨立的Heap對象，我們知道，當一個應用程式初始化的時候，首先被初始化的是C Run-Time Library，然後才是應用程式的入口函數，而Heap對象就是在C Run-Time Library被初始化的時候被建立的。對於動態連結的C Run-Time Library,運行庫只被初始化一次，而對於靜態串連的運行庫，每連結一次就初始化一次，所以對於每個靜態連結的運行庫都擁有彼此不同的Heap 對象。這樣在某種情況下就會出問題，導致程式崩潰,例如一個應用程式調用了多個DLL,除了一個DLL外，其他的DLL，包括應用程式本身動態串連運行庫，這樣他們就使用同一個Heap對象。而有一個DLL使用靜態串連的運行庫，它就擁有一個和其他DLL不同的Heap 對象，當在其他DLL中分配的記憶體在這個DLL中釋放時，問題就出現了。

五.關鍵詞new/關鍵詞delete
  這兩個詞是C++內建的關鍵詞(keyword)。當C++編譯器看到關鍵詞new的時候，例如：

  CMyObject* pObj = new CMyObject;

 

編譯器會執行以下兩個任務：
1。在堆上動態分配必要的記憶體。這個任務是由編譯器提供的一個全域函數void* ::operator new(size_t)來完成的。值得注意的是任何一個類都可以重載這個全域函數。如果類重載了這個函數的化，被類重載的那個會被調用。
2。調用CMyClass的建構函式來初始化剛剛產生的對象。當然如果分配的對象是C++中的基礎資料型別 (Elementary Data Type)則不會有建構函式調用。
如果要深入全域函數void* ::operator new(size_t)的話，我們會發現，它的具體實現是通過調用malloc來分配記憶體的。

有了這樣的分析，我們對這些動態記憶體分配方式有了一個更高一級的認識，在我們的代碼中就可以正確使用他們。

參考文獻：
1.《Programming Application for Windows》(By Jeffrey Richter)
2.《Windows System Programming Third Edition》(By  Johnson M. Hart)
3. 這裡是一篇從"曆史"的角度分析LocalAlloc和GlobalAlloc的區別的文章：http://blogs.msdn.com/oldnewthing/archive/2004/11/01/250610.aspx

21/10/2006 於家中

v1.1
1。修改了文中關於關鍵詞new/delete的內容，以前把關鍵詞new和函數void* operator new(size_t)混淆了。

19/11/2006 於家中