堆内存管理器和垃圾收集器

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• 引言
• 为什么要跟踪内存？
• 为什么要进行垃圾收集？
• 问题
• 提出的解决方案
  • 方法 1：恢复指针
  • 方法 2：释放组
  • 方法 3：释放所有
• 更多信息
• 实现细节
• 结论
• 修订历史

引言

本文介绍了一种尝试解决大多数 C++ 程序员痛恨的常见问题的方法：内存泄漏和内存溢出。本文使用的方法是跟踪程序分配的所有内存。它还提供基本的保护检查，以确定写入分配块的内存是否已超出实际分配的字节数。

此方法还允许您按 ID 或名称组织和分组分配的内存。为内存分配命名具有优势，因为您可以在不进行指针传递的情况下按名称获取已分配的内存。为分配分配组 ID 有助于程序员对内存分配进行分组，从而可以调用单个函数来释放某个组的所有内存。

为什么要跟踪内存？

跟踪内存是监视所有已分配内存的非常有效的方法。这使您能够稍后枚举所有已分配的内存块，并释放所有已分配的内存。这是垃圾收集的实现。

为什么要进行垃圾收集？

垃圾收集在现代编程语言（如所有 .NET 语言和 Java）中得到了广泛应用。在 C++ 中实现垃圾收集并非没有代价，但它始终是完全消除内存泄漏的一种安全方法。

问题

分配内存时，总会在某个时候需要将其释放。无论是由于编程错误还是程序逻辑，都很容易忘记释放内存。示例

void ServePizzas(int pizzacount)
{
    char* p = new char[pizzacount];

    // ... more code here...

    if (g_remainingpizzas == 0) return;

    // ... more code here...

    delete [] p;
}

在上面的代码中，通过 char* p = new char[pizzacount]; 语句分配了一个内存块。中间的条件语句包含一个 return 语句，导致函数退出，并且其后的所有代码都不会执行。由于 delete [] p; 语句不会执行，因此分配的内存不会被释放，从而导致内存泄漏。

提出的解决方案

本文提出的解决方案涉及重载 C++ 的 new 和 delete 运算符。new 运算符通常如下调用：

char* p = new char[256];

这会在指针 p 中分配一个 256 字节的数组。使用此库时，调用保持不变，但内部已标记并跟踪了内存，从而可以控制已分配的内存。

new 运算符也可以带有参数，在此库中，new 运算符具有三个带参数的重载。让我们看一些示例：

// Allocate a 256 byte array using normal new operator.
char* p = new char[256];

// Allocate a 256 byte array with group ID 1.
char* p1 = new(1) char[256];

// Allocate a 256 byte array with name "my array"
char* p2 = new("my array") char[256];

// Allocate a 256 byte array with name "his array" with group ID 1.
char* p3 = new(1, "his array") char[256];

以上都是分配内存的方式。要释放前面示例中分配的内存，我们通常会这样做：

delete [] p;
delete [] p1;
delete [] p2;
delete [] p3;

现在，假设我们丢失了指针 p、p1、p2 和 p3，我们该如何释放内存？内存跟踪库提供了许多方法。让我们找出如何。

方法 1：恢复指针

// We cannot recover p since it is not named.
char* p = Null;//???

// We cannot recover p1 since it is not named.
char* p1 = Null;//???

// Recover p2:
char* p2 = hmt_getnamed("my array");
delete [] p2;

// Recover p3:
char* p3 = hmt_getnamed("his array");
delete [] p3;

在这种方法中，我们可以恢复大多数指针，但无法恢复指针 p 和 p1，因为我们没有为它们分配名称。不过仍然有方法可以释放它们。让我们看看方法 2。

方法 2：释放组

// Deallocate group 0; p and p2
hmt_garbagecollect(0);
// Deallocate group 1; p1 and p3
hmt_garbagecollect(1);

在此方法中，我们释放组 1，因为 p1 和 p3 被分配给了组 1，释放组 0，因为 p 和 p2 没有被分配给任何组，因此它们属于组 0。让我们看看更粗暴的方法。

方法 3：释放所有

// Deallocate all memory allocated by new.
hmt_garbagecollect();

在此方法中，我们强制释放由 new 运算符分配的所有内存，甚至包括使用普通 new 运算符分配的 p。这可以确保没有内存泄漏。

更多信息

如果您需要知道程序分配了多少内存，可以使用以下代码：

size_t memallocated = hmt_getallocated();
printf("Memory allocated using new: %d", memallocated);

如果您需要打印关于所有已分配内存的调试信息：

hmt_debugprint();

如果您想打印调试信息，以查看是否有任何内存块被溢出或损坏：

hmt_debugcheck();

实现细节

由于我们重载了 new 语句，因此我们可以控制分配的内存量。分配的内存会比实际请求的多一些，以便为跟踪数据腾出空间。

对于 32 位处理器，每次内存分配的开销是 32 字节；对于 64 位处理器，开销是 64 字节。下表代表调用 new 语句时已分配块的内部内存结构。这也说明了内存跟踪器如何知道所有已分配的内存。

字节数	字段	描述
4 字节	垃圾 UID	用于确定内存是否已被覆盖
4 字节	Group ID	已分配块的组 ID
4 字节	名称的哈希值	如果项目已命名，此处将包含名称的哈希值
4 字节	标志	描述内存块的内部标志
指针 *	大小	块的大小（包括开销）
指针 *	前一个块	指向前一个已分配块的链表指针
指针 *	下一个块	指向下一个已分配块的链表指针
n 字节	已分配内存 **	new 语句请求的实际内存
4 字节	垃圾 UID	用于确定内存是否已被覆盖

* 对于 32 位处理器为 4 字节，对于 64 位处理器为 8 字节。

** new 语句返回的指针指向此内存块。

通过此结构，所有内存块都被知晓并链接在一起。

结论

此模块是一个更大、更复杂的内存池模块的一部分，该模块将在以后发布。此模块肯定有改进的空间，其中之一是名称查找，这是一个线性搜索，因此当内存分配数量很大时速度很慢。在内存池模块中，使用了二叉树来加快速度，但这将在以后讨论。

此模块绝不是执行此类内存跟踪的唯一方法，但它是消除内存泄漏的一种非常有效的方法。

修订历史

• 2008 年 4 月 16 日：原始文章