【Windows核心编程】堆 的应用

来自Windows核心编程 – 18章

使用堆是一种对内存进行操控的方法，另外两种是虚拟内存 和 内存映射文件。

堆非常适合用来分配小型数据。也是用来管理链表和树的最佳方式。

堆的缺点是 分配 和 释放 内存块的速度比其他方式慢。

无法再对物理存储器的调拨和(撤销调拨)释放进行控制。

在系统内部，堆就是一块预定的地址空间区域。

刚开始，区域内的大部分页面没有调拨物理存储器，随着我们不断从堆中分配内存，堆的管理器会给堆调拨越来越多的物理存储器。这些物理存储器始终是从页交换文件中分配的。释放堆中的内存块时，堆管理器你会撤销(释放)已调拨的物理存储器。

18.1 进程的默认堆

进程初始化的时候，系统会在进程的地址空间中创建一个堆。这个堆被称为进程的默认堆。默认情况下，这个堆的大小是 1MB。但是系统可以增大进程的默认堆。

系统保证不管在什么时候，只运行一个线程从堆中分配或释放块。

我们可以通过调用GetProcessHeap() 函数来得到进程的默认堆的句柄。

 

18.2 为什么要创建额外的堆

除了使用进程的默认堆之外，我们还可以创建额外的堆。

创建额外的堆有什么好处呢：

1. 对组件进行保护
2. 更有效的内存管理
3. 局部访问
4. 避免线程同步的开销
5. 快速释放

一个个来看吧：

对组建的保护：

简单的来讲就是内存越界，在文件1中数据结构1有缺陷，内存越界修改了文件2中某个数据结构的数据，导致了错误，而我们认为这个错误来自于文件2…完蛋，这个BUG就很难找了…

更有效的内存管理：

例子：数据结构1-占24字节，数据结构2-占32字节。

然后我们数据结构1 和 2交替填充了整个堆，释放了所有的数据结构1…造成了大量内存碎片，而且，此时除非扩充堆，我们无法为数据结构2分配哪怕仅仅一个空间！

使内存访问局部化：

当系统把一个内存页面换出到页交换文件，或者把页交换文件中的一个页面换入到内存中的时候，会对性能产生非常大的影响。

比较好的做法是将需要同时访问的对象分配在相邻的内存地址。

否则最坏的情况是访问每个元素(比如链表)都会引起页面错误，导致整个过程及其缓慢。

避免线程的同步开销：

默认情况下，对堆的访问是依次进行的，此时堆函数会执行额外的代码来确保堆的线程安全性(thread-safe)。但是如果创建一个新的堆，就可以告诉系统只有一个线程会访问堆，然后由我们程序员手动控制来保证堆的线程安全性。

快速释放：

如果我们仅将一个树或者链表存储到一个堆里面，释放树或者链表的时候，我们不必显式地释放堆中每个内存块，可以直接释放整个堆，是不是很快…

 

18.3 如何创建额外的堆

调用 HeapCreate() 函数可以创建额外的堆。(属于进程)

三个参数：

1. fdwOptions 用来表示对堆的操作该如何进行。可以指定 0、HEAP_NO_SERIALIZE、HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS、HEAP_CREATE_ENABLE_EXECUTE 或这些标志的组合。
2. 第二个参数 dwInitialSize 表示一开始要调拨给堆的字节数。如果需要，会把这个值向上取整到CPU页面大小的整数倍。
3. 最后一个参数 dwMaximumSize 表示堆所能增长的最大大小(即系统为堆所预定的地址空间的大小)。如果大于0，则表示有一个最大大小，分配超过这个值，则可能失败。如果等于0，那么创建的堆是可增长的，没有上线，直到用尽物理存储器为止。

创建成功后会返回一个句柄，标识创建的堆，其他堆函数会用到这个句柄。

接下来我们详细讨论下第一个参数的值。

HEAP_NO_SERIALIZE ： 尽量不要用这个值，除非你能自己管理访问次序。

HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS：这个标志告诉系统，每当在堆内分配或重新分配内存失败的时候，抛出一个异常。异常只不过是系统使用的另一种方法，来告诉应用程序有错误发生。

HEAP_CREATE_ENABLE_EXECUTE：如果想在堆中存放可执行代码，就需要设置这个标志。如果不设置这个标志的话，当我们试图在 这个堆的内存块中 执行代码时，系统会抛出 EXCEPTION_ACCESS_VIOLATION 异常。

 

18.3.1 从堆中分配内存块

从堆中分配一块内存不过是调用下 HeapAlloc() 函数

三个参数：

1.  hHeap 是一个堆的句柄。
2.  fdwFlags 用来指定标识，可以指定的有： HEAP_ZERO_MEMORY、HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS 和 HEAP_NO_SERIALIZE。
3. 第三个参数用来指定分配的大小。单位为字节。

同上我们来讨论下第二个参数的三个标识：

HEAP_ZERO_MEMORY ：让 HeapAlloc 在返回之前把内存块的内容都清零。

HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS ：告诉系统，如果分配失败，就抛出异常。

在创建的时候也可以使用这个标识，如果当时指定了，这次就不需要了。

其实最好是创建堆的时候不指定，这样我们可以控制需要的时候抛出。

如果抛出异常应该是以下之一：

如果分配成功，返回地址。

如果分配失败，没有指定异常标志，返回NULL

HEAP_NO_SERIALIZE：强制系统不要把这次HeapAlloc调用与其他线程对同一个堆的访问一次排列起来。在使用这个标识的时候应该极其小心，因为如果其他线程也在分配堆，可能会破坏堆。

在从进程默认堆分配内存的时候，绝对不要使用这个标志。

PS.在分配1MB以上内存的时候，建议使用VirtualAlloc函数(虚拟内存)。

 

18.3.2 调整内存块大小

我们有些时候可能会调整内存块大小，比如应用程序一开始会分配一块较大的内存，经过一段时间使用后，可能需要减少内存块的大小。或者一开始分配的比较小，然后需要更大的空间，都可以通过这个函数来完成。

四个参数：

1.  hHeap 标识堆
2.  fdwFlag 这次有四个标识：HEAP_ZERO_MEMORY、HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS 和 HEAP_NO_SERIALIZE 和 HEAP_REALLOC_IN_PLACE_ONLY。
3.  pvMem 用来指定想要调整大小的内存块的当前地址。
4.  dwByte 用来指定新的大小。

接下来我们先讲标识符。

HEAP_NO_SERIALIZE 和 HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS 意思和分配的时候一样。

HEAP_ZERO_MEMORY 标识新空间要不要清零

HEAP_REALLOC_IN_PLACE_ONLY ：在增大内存块的时候，HeapReAlloc可能会在堆内部移动内存块，而这个标识符则表示不要移动内存块。如果能够在不移动内存块的前提下完成操作，则返回原地址。如果必须移动，则返回一个新地址，它指向一个更大的内存块。要注意的是如果要将内存块减小，那么会返回原地址。

要注意的是，如果一个内存块是链表或者树的一部分，则必须指定 HEAP_REALLOC_IN_PLACE_ONLY。因为在这种情况下，链表或树的其他节点可能指向当前节点的指针，把节点移动到堆中其他的地方会破坏其完整性。

最后：该函数要么返回一个地址，指向调整后的内存块，要么返回NULL(不能调整)

 

18.3.3 获得内存块的大小

标志位fdwFlags ：可以是 0 或者 HEAP_NO_SERIALIZE。

pvMem 是内存块地址。

hHeap 是堆句柄

 

18.3.4 释放内存块

当我们不需要一块内存的时候，可以调用 HeapFree 释放它。

参数意义同上。

注意，调用这个函数可能会使堆管理器撤销一些已经调拨的物理存储器，但是这并不是一定的。

 

18.3.5 销毁堆

如果不需要之前创建的堆，则可以调用 HeapDestroy() 函数来销毁它。

调用该函数会释放堆中所有内存块，同时系统会回收堆占用的物理存储器和地址空间区域。

如果调用成功，返回TRUE。

如果不在进程终止之前调用，那么系统会替我们销毁的。

我们知道线程才是执行体，创建堆是在线程内执行的，但是线程终止的时候，堆是不会被销毁的。

在进程完全终止之前，系统是不会允许销毁进程的默认堆的。所以这时候如果试图销毁，会返回FALSE。

 

18.3.6 在C++中使用堆

运用堆的最好方法就是将它们集成到已有的C++程序中。在C++中，我们调用new操作符来分配对象(而不是malloc函数)，然后在不需要某个对象的时候调用delete操作符释放它(而不是free函数)。

具体的不讲了，其实就是把 创建堆啊，分配内存 之类的堆函数 放到new 和 delelte操作符里面去，重载这两个操作符。当然我们需要 static 来保存堆的句柄，然后用一个static 的计数来表明有多少个对象生成了。每销毁一个则减一，当减到0的时候表示堆空了，可以销毁了。

要注意的情况是：继承! 如果父类和子类的对象大小相差很大，而且子类没有重载操作符，则可能会产生严重的碎片问题。这样我们创建堆的意义也就不存在了。

 

18.4 其他堆函数

由于进程在自己的地址空间中可以有多个堆，所以GetProcessHeaps 函数可以让我们得到这些堆的句柄：

用法示例如下：

要注意的是，返回的句柄包括进程的默认堆句柄。

 

下面这个函数可以用来验证堆的完整性：

传入一个堆句柄，标志位传入0，然后给pvMem传递NULL即可。

如果想判断指定内存块是否被破坏，则给pvMem传递指定内存块地址。

 

下面的函数作用是将堆中闲置内存块重新结合在一起，并撤销调拨给堆中闲置内存块的物理存储器。

一般来说会给 fdwFlags 传入参数0

 

下面两个函数用于线程同步：

这两个函数配对使用，当第一个线程调用 HeapLock 时，它就成为指定堆的所有者。假设这时候有一个线程2调用了线程1指定的堆的时候，就会暂停挂起，直到第一个线程调用了HeapUnLock 函数才会被唤醒。

为了确保对堆的访问是依次进行的，前面提到的 HeapAlloc、HeapSize、HeapFree 之类的函数都会在内部调用这两个函数。所以一般情况下是不需要我们调用的。

 

最后有一个 HeapWalk 函数，其作用是遍历堆的内容。

要求传入一个 PROCESS_HEAP_ENTRY 结构的地址

当返回FALSE时表示遍历完。

该结构类型定义如下：

当我们开始枚举的时候，要把 lpData 成员设置为NULL。

每次调用 HeapWalk 成功后，可以查看内部成员。

如果要得到堆中的下一块内存，必须再次调用 HeapWalk ，并传入和上一次调用相同的堆句柄和 上述的数据结构地址。

我们可以在 HeapWalk 循环外部调用 HeapLock 和 HeapUnlock,这样可以保证遍历的时候不会有其他线程从中分配与释放内存了。

大致就是这样…