有感于STL的内存管理 (转载)

 

有感于STL的内存管理  

2009-08-18 09:48:06|  分类： web技术|字号 订阅

警告：本文是技术类文章，只适合码工们围观，非码工请跳过此坑


1. 背景

前些天在一个技术分享会上，某大牛说，STL使用了内存池，释放内存的时候，并不释放给OS，而是自己由留着用。

听到这些观点后，我就有些着急了，因为我以前一直是直接使用STL的一些工具类的，比如std::string、std::map、std::vector、std::list等等，从来都没有关注过内存的问题。

带着内存的问题，我花了两三天的时间去阅读STL的代码，并且写一些简单的程序进行测试；下面列举一些心得体会，但是却没有什么大的结论 -.- 

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2. 容易误解的简单例子

我们以STL中的map为例，下面有一个使用map的简单例子，大部分人可以在30秒内写好。


void testmap()
{
  map<int, float> testmap;
  for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
    testmap[i] = (float)i;
  }
  testmap.clear();
}


为了在调用map::clear()之后查看进程的内存使用量，我们可以加几行代码让程序暂停一下。


void testmap()
{
  map<int, float> testmap;
  for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
    testmap[i] = (float)i;
  }
  testmap.clear();
  // 观察点
  int tmp; cout << "use ps to see my momory now, and enter int to continue:"; cin >> tmp;
}


编译运行上面的程序，你会看见这样的情况：ps显示进程的内存使用量为40MB多。这时，你会毫不犹豫地说，STL的map使用了内存池（memory pool）。

然后，我就跑去阅读libstdc++的STL的源代码，STL提供了很多种Allocator的实现，有基于内存池的，但是默认的std::allocator的实现是new_allocator，这个实现只是简单的对new和delete进行了简单的封装，并没有使用内存池。这样，怀疑的对象就转移到glibc的malloc函数了。malloc提供的两个函数来查看当前申请的内存的状态，分别是malloc_stats()和mallinfo()，它们都定义在<malloc.h>里。

为了弄清楚这个问题，我们对上面的例子进行如下的改造：


#include <malloc.h>
void testmap()
{
  malloc_stats();        // <======== 观察点1
  map<int, float> testmap;
  for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
    testmap[i] = (float)i;
  }
  malloc_stats();        // <======== 观察点2
  testmap.clear();
  malloc_stats();        // <======== 观察点3
}

这个例子的运行环境是这样的：

[dengmw@my ~]$ g++ -v
Reading specs from /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/3.4.6/specs
Configured with: ../configure --prefix=/usr --mandir=/usr/share/man --infodir=/usr/share/info --enable-shared --enable-threads=posix --disable-checking --with-system-zlib --enable-__cxa_atexit --disable-libunwind-exceptions --enable-java-awt=gtk --host=x86_64-redhat-linux
Thread model: posix
gcc version 3.4.6 20060404 (Red Hat 3.4.6-9)

程序的运行结果是这样的：

在观察点1：
*       system bytes     =          0
*       in use bytes     =          0
在观察点2：
*       system bytes     =          48144384
*       in use bytes     =          48005120
在观察点3：
*       system bytes     =          48140288    <==== malloc cache the memory here
*       in use bytes     =          5120


很明显，尽管程序员显式地调用了map::clear()，但是malloc并没有把这些内存归还给OS，而是缓存起来了。所以说，这个例子的罪魁祸首并不是libstdc++的的STL，而是glibc的malloc。

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3. 侯捷的《STL源码剖析》有点过时了

• 在调试上面的例子的时候，我在看了不少的书籍和网上的文章，其中就包括了侯捷的《STL源码剖析》，但是这本书已经过时了，因为他写这本书的时候，g++的版本才2.9。我把g++的各个版本的源代码都下载下来了，并且进行了比较，总结如下：
  
  • 侯捷的《STL源码剖析》只对于gcc-3.3.*及以前的版本是对的；对于gcc-3.4.*以后的版本，STL中关于内存的代码变了
  • 当前，大家使用的gcc大都是3.4.6版本或者更加新的版本
  • gcc-3.3分支从2003-05-13发布第1版，到2005-05-03发布3.3.6
  • gcc-3.3的默认的Allocator，定义在"include/bits/stl_alloc.h"里，确实是带有cache的 (即常说的memory pool)
  • gcc-3.4的默认的Allocator，定义在"include/bits/allocator.h"里，它的真实的实现是"include/ext/new_allocator.h"，这个实现不带cache，只是new和delete的简单封装
    

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4. STL内存管理的基础知识(gcc-3.4.*及以后的) 

通过这次对STL的研究，我学到不不少新的知识。可能这些内容你都已经会了，-.-，我比较弱，下面的内容我是第一次知道的：

STL有很多种allocator，默认采用的是std::allocator，我们沿着这样的头文件路线，可以找到它的最终实现：

• -> "include/bits/allocator.h"
• -> "include/i386-redhat-linux/bits/c++allocator.h"
• -> "include/ext/new_allocator.h"（即是说，std::allocator == __gnu_cxx::new_allocator）

根据C++的标准，STL的allocator，把对象的申请和释放分成了4步：

• 第1步：申请内存空间，对应函数是allocator::allocate()
• 第2步：执行构造函数，对应函数是allocator::construct()
• 第3步：执行析构函数，对应函数是allocator::destroy()
• 第4步：释放内存空间，对应函数是allocator::deallocate()

STL崇尚拷贝，你往容器里放东西或者从容器里取东西，都是要调用拷贝构造函数的。比如，你有一个对象a要插入到map里，过程是这样的：

• map先申请一个结点的空间
• 调用拷贝构造函数初始化该结点
• 把新结点插入到map的红黑树中

STL中实现了好多种不同的更为具体的allocator，如下（GNU GCC关于Memory的官方文档）：

• __gnu_cxx::new_allocator: 简单地封装了new和delete操作符，通常就是std::allocator
• __gnu_cxx::malloc_allocator: 简单地封装了malloc和free函数
• __gnu_cxx::array_allocator: 申请一堆内存
• __gnu_cxx::debug_allocator: 用于debug
• __gnu_cxx::throw_allocator: 用于异常
• __gnu_cxx::__pool_alloc: 基于内存池
• __gnu_cxx::__mt_alloc: 对多线程环境进行了优化
• __gnu_cxx::bitmap_allocator: keep track of the used and unused memory locations.

上面的8个allocator的实现中，bitmap_allocator、pool_allocator和__mt_alloc是基于cache的，其它的不基于cache
* 那么？如何指定使用一个特殊的allocator呢？示例如下：

map<int, int> a1;                                    // 方法1
map<int, int, less<int>, std::allocator<pair<int, int> > > a3;      // 方法2
// 方法3，方法1、方法2、方法3都是等价的
map<int, int, less<int>, __gnu_cxx::new_allocator<pair<int, int> > > a2;  

// 方法4，使用了基于cache的allocator
map<int, int, less<int>, __gnu_cxx::__pool_alloc<pair<int, int> > >  a4;  

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5. 内存碎片是容易被忽视的导致OutOfMemory的原因

这个观点有点类似于磁盘碎片，也可以称为内存碎片吧，当内存碎片过多的时候，极容易出现OutOfMemory错误；

使用STL的map特别容易出现这种情况，往map里插入了海量的小对象，然后释放了一些，然后再想申请内存时，就出现OutOfMemory错误了；

这种现象不只是在使用STL的情况会发现，下面举一个例子来说明内存碎片的问题，尽管这个例子没有使用STL。

举例之前，先说明一下这个例子中使用的两个查看当前进程的内存统计量的2个函数：

• int get_max_malloc_length_inMB() : 得到当前可以申请的最长的内存长度(MB)；这个函数不停地调用p=malloc(length*1024*1024)；如果成功，则length++，并且free(p)；如果失败，返回(length-1)。
• int get_free_mem_inKB() : 得到当前可以申请的内存总量(KB)；这个函数不停地调用malloc(1024)来申请1KB的内存；如果成功，把这1KB的内存存起来，并且count++；如果失败，则把所有的1KB内存释放，再返回count。

为了测试方便，我在运行程序前，设置了进程的最大内存为200MB，使用的命令如下：

ulimit -m 204800;
ulimit -v 204800;

这个例子把申请到的内存以矩阵的形式存储起来，先按列优先把指针存起来，再按行优先进行free，这样会造成大量的内存碎片；例子的伪代码如下：

typedef char* PtrType;
PtrType ** Ptrs = (PtrType**) malloc( ROW * sizeof(PtrType*) );
...

// 第1步: 占领所有的内存，按列优先进行申请
for(j=0; j<COL; ++j) {
    for(i=0; i<ROW; ++i) {
        Ptrs[j][i] = malloc(1024);
    }
}

// 第2步：按行优先释放所有的内存，在中间多次调用get_max_malloc_length_inMB和get_free_mem_inKB来查看内存使用情况
for (i=0; i<ROW; ++i) {
    for (j=0; j<COL; ++j) {
        free( Ptrs[i][j] );
    }
    free(Ptrs[i]);
    // 得到两个关于内存的统计量
    get_max_malloc_length_inMB();
    get_free_mem_inKB();
}

// 第3步：释放Ptrs，再获取一次内存的统计量
free(Ptrs);
get_max_malloc_length_inMB();
get_free_mem_inKB();

需要关注的是，内存的申请的顺序是按列优先的，而释放的顺序是按行优先的，这种做法就是模拟内存的碎片。<BR>
运行上面的程序后，得到的结果是：在释放内存的过程中，max_malloc_length_inMB长期保持在0 MB，当全部释放完后，max_malloc_length_inMB变成了 193 MB<BR>

max_malloc_length_inMB: 
    196 MB -> 0 MB -> 0 MB -> ... -> 0 MB -> 0 MB -> ... 
           -> 0 MB -> 0 MB -> 195 MB
free_mem_inKB: 
    199374 KB -> 528 KB -> 826 KB -> ... -> 96037 KB -> 96424 KB -> ... 
              -> 197828 KB -> 198215 KB -> 198730 KB

上面的结果引申出这样的结论：

• OutOfMemory错误，并不一定是内存使用得太多；
• 当一个程序申请了大量的小内存块 (比如往std::map中插入海量的小对象)，导致内存碎片过多的话，一样有可能出现OutOfMemory错误

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6. 一些别的收获
6.1 libc.so.6和glibc-2.9有什么不同？

• 参考文献：http://en.wikipedia.org/wiki/GNU_C_Library
• 在80年代，FSF写了glibc；
• 后来，linux kernel的人照着glibc，写了"Linux libc"，一直从libc.so.2到libc.so.5
• 到1997年，FSF发布了glibc-2.0，这个版本有很多优点，比如支持有更多的标准，更可移植；linux kernel的人就把"Linux libc"的项目砍掉了，重新使用glibc-2.0，然后就命名为libc.so.6
• 如果你运行一下这个命令"ls -lh /lib/libc.so.6"，你会发现它其实是一个符号链接，在我的电脑上，它指向了"/lib/libc-2.9.so"

6.2 申请内存的方式共有多少种？

• 参考文献：glibc manual中的第3章（见http://www.gnu.org/software/libc/manual/）
• exec
• fork
• 进程内：

• global var or static var
• local var
• malloc()
• memory map file