Windows内存管理机制及C++内存分配实例（五）：堆

5.内存管理机制--堆 (Heap)

·使用场合
堆是进程创建时在进程空间建立的区域，由堆管理器来管理。一个进程可以有很多个堆。进程有一个默认堆为1M，可以动态的扩大。
当程序需要管理很多小对象时，适合用堆；当需要的空间大于1M时，最好用虚拟内存来管理。
堆的优点是，有堆管理器来替它管理，不需管理具体的事情如页面边界和分配粒度等问题，你可以从调用函数看的出来，比VirtualAlloc的参数少了不少。
   堆的缺点是分配和释放的速度比前几种机制要慢，所以最好不要超过1M；不像虚拟内存那样随时提交和释放，因为它是由堆管理器决定的。如果用堆分配1G的空间，需要1分种，而用虚拟内存，则感觉不到任何延迟。    

·默认堆
进程默认堆是供所有线程使用的，每当线程需要从堆中分配释放内存区时，系统会同步堆，所以访问速度较慢。
它的默认大小是1M，同样的，你可以通过以下链接命令改变其大小：
#pragma comment(linker,"/HEAP:102400000,1024000")
第一个值是堆的保留空间，第二个值是堆开始时提交的物理内存大小。本文将堆改变为100M。
当你在程序中扩大了堆提交的物理内存时，进程运行时，物理内存将减少扩大的数量。但是，默认堆总是可以扩大的，不能限制它的最大值。
当你在程序中扩大了堆保留的空间时，进程运行时，可用进程空间将会减少扩大的数量。
每次你用New操作符分配内存时，进程空间会相应的减少，物理内存也会相应的减少。
一个重要的提示，本文经过测试，如果你需要的内存块大部分都超过512K，那么，建堆时给它的初始大小不应该很大，因为，如果你所需内存块大于512K的话，它不是从堆中分配的，也就是说不用堆中默认的空间，但其仍然属于堆管理。
默认堆的一个用处是系统函数需要利用它运行。比如，Windows2000的字符集是UNICODE的，如果调用ANSI版本的函数，系统需要利用堆来从ANSI到UNICODE的转换，调用UNICODE版本的函数。

·自建堆
使用场合
保护数据结构：
将不同的数据结构存在不同的堆中，可以防止不同的结构之间由于指针误操作而破坏了它们。
消除内存碎片：
将大小不同的结构保存在一个堆中，会导致碎片的产生，比如释放一个小结构时，大结构也不能利用它。
独享堆的快速：
如果用默认堆的话，线程之间是同步访问，速度慢；如果创建独享堆，则系统可以不需同步，比较快。
第二个快速体现在释放的快速，默认堆中，你只能释放某个内存块，而不能释放整个堆；而独享堆可以一次释放堆，也就是释放了所有的内存块。

开始使用
建立堆：
使用以下API  
HANDLE HeapCreate(DWORD 选项，SIZE_T 初始大小，SIZE_T 最大值)
“选项” 取值为0 ，不是以下任意一个
HEAP_NO_SERIALIZE，系统无需同步堆
HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS，当创建失败或分配失败时产生异常。
“初始大小”是堆的大小，系统会规整到页面的整数倍，如0~4096的任何数都为4096；但是，进程空间至少要64K。
“最大值”是堆允许的最大值；为0则无限。
使用HEAP_NO_SERIALIZE需确定只有单线程访问这个堆，否则有可能破坏堆；或程序有同步代码来同步堆。
C++程序如下：
pHeap=(char*)GetProcessHeap();
printf("默认堆地址=%x/n",pHeap);
MEMORYSTATUS memStatus2;
GlobalMemoryStatus(&memStatus2);
HANDLE hHeap=HeapCreate(HEAP_NO_SERIALIZE|HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS,1024*1024*50,0);
char* pHeap=(char*)hHeap;
printf("新建堆1地址=%x/n",pHeap);  
if(hHeap==NULL)
{
     cout<<"创建堆失败!"<}
MEMORYSTATUS memStatus3;
GlobalMemoryStatus(&memStatus3);
cout<<"建立堆后："<cout<<"减少物理内存="<cout<<"减少可用页文件="<cout<<"减少可用进程空间="<HANDLE hHeap2=HeapCreate(HEAP_NO_SERIALIZE|HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS,1024*1024*10,0);
char* pHeap2=(char*)hHeap2;
printf("新建堆2地址=%x/n",pHeap2);
结果如下：

当建立堆1时，它分配了50M的物理内存给堆使用；当建立堆2时，堆2的地址是0x04bc 0000=0x019c 0000+50*1024*1024.
分配内存：
使用以下API
PVOID HeapAlloc(HANDLE 堆句柄，DWORD 选项，SIZE_T 字节数)
“选项”可以是，
HEAP_ZERO_MEMORY，所有字节初始化为0
HEAP_NO_SERIALIZE，堆这个内存区独享
HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS，产生异常。如果创建堆有了它就不用再设了。异常可能为：STATUS_NO_MEMOR（无足够内存）和STATUS_ACCESS_VIOLATION（堆被破坏，分配失败）。
C++程序如下：
GlobalMemoryStatus(&memStatus3);
PVOID pV=HeapAlloc(hHeap,
HEAP_ZERO_MEMORY|HEAP_NO_SERIALIZE|HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS,1024*507);
if(pV==NULL)
{
     cout<<"分配堆内存失败!"<}
char * pC=(char*)pV;
printf("第一次分配地址=%x/n",pC);
MEMORYSTATUS memStatus4;
GlobalMemoryStatus(&memStatus4);
cout<<"第一次堆分配后："<cout<<"减少物理内存="<cout<<"减少可用页文件="<cout<<"减少可用进程空间="<PVOID pV2=HeapAlloc(hHeap,HEAP_ZERO_MEMORY|HEAP_NO_SERIALIZE|HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS,1024*508);
if(pV2==NULL)
{
     cout<<"分配堆内存失败!"<}
char * pC2=(char*)pV2;
printf("第二次分配地址=%x/n",pC2);
MEMORYSTATUS memStatus5;
GlobalMemoryStatus(&memStatus5);
cout<<"第二次堆分配后："<cout<<"减少物理内存="<cout<<"减少可用页文件="<cout<<"减少可用进程空间="<for(int i=0;i<200*1024;i++)
    pC2[i]=9;
MEMORYSTATUS memStatus10;
GlobalMemoryStatus(&memStatus10);
cout<<"第二次堆使用一半后："<cout<<"减少物理内存="<cout<<"减少可用页文件="<cout<<"减少可用进程空间="<结果如下：

可以看出，第一次分配507K的地址为0x04ad d650<0x04bc 0000，它是在堆中分配的；第二次分配508K的地址为0x055c 0020>0x04bc 0000，它是在堆外分配的；无论在多大的堆中，只要分配内存块大于507K时，都会在堆外分配，但是，它像在堆中一样，存在堆的链接表中，受堆管理。分配时，系统使用的是虚拟页文件；只有在真正使用时，才会分配物理内存。
至于为什么分配大于507K会在堆外分配而不直接使用堆中的内存，目前仍然不清楚。
   改变大小：
PVOID HeapReAlloc(HANDLE 堆句柄，DWORD 选项，PVOID 旧内存块地址，SIZE_T 新内存块大小)
“选项”除了以上三个外，还有HEAP_REALLOC_IN_PLACE_ONLY，指定不能移动原有内存块的地址。
C++程序如下：
   GlobalMemoryStatus(&memStatus4);
   PVOID pV2New=HeapReAlloc(hHeap,0,pV2,1024*1024*2);
   if(pV2New!=NULL)
   {
      char * pC2New=(char*)pV2New;
      printf("改变分配地址=%x/n",pC2New);
      cout<      //cout<      SIZE_T lenNew=HeapSize(hHeap,0,pV2New);
      cout<<"改变后大小="<   }
   GlobalMemoryStatus(&memStatus5);
   cout<<"改变分配后："<   cout<<"减少物理内存="<   cout<<"减少可用页文件="<   cout<<"减少可用进程空间="<结果如下：

可以看出，新内存块紧接着原来内存块结束的地方开始创建，大小为2M;原来的内存块的内容被销毁和释放，所以新内存块只减少了增加的内存量。一个缺点就是，新内存块居然不保留原来内存的内容！另外，如果采用HEAP_REALLOC_IN_PLACE_ONLY的话，出现Not Enough Quote异常。也就是说，当前内存的状况是，必须移动才可以扩大此内存块。
   查询内存：
   可以查询堆中一个内存块的大小。
   SIZE_T HeapSize(HANDLE 堆句柄，DWORD 选项，LPVOID 内存块地址)
“选项”可为0或HEAP_NO_SERIALIZE。
参考以上例子。
释放内存块：
   BOOL HeapFree(HANDLE 堆句柄，DWORD 选项，PVOID 内存块地址)
“选项”可为0或HEAP_NO_SERIALIZE。
   C++程序如下：
   GlobalMemoryStatus(&memStatus5);
   HeapFree(hHeap,0,pV2New);
   MEMORYSTATUS memStatus6;
   GlobalMemoryStatus(&memStatus6);
   cout<<"第二次堆分配释放后："<   cout<<"增加物理内存="<   cout<<"增加可用页文件="<   cout<<"增加可用进程空间="<结果如下：

内存空间释放了原来的2M空间。
释放堆：
BOOL HeapDestroy(HANDLE 堆句柄)
不能用它释放默认堆，系统忽略它的处理。
这一次，我们先在堆1中分配了70M的内存，由于它很大，所以，堆在堆外给它分配了内存，所以，堆1一共有50M+70M=120M。释放程序如下：
   PVOID pV4=HeapAlloc(hHeap,HEAP_ZERO_MEMORY|HEAP_NO_SERIALIZE|HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS),1024*1024*70);
   if(pV4==NULL)
   {
      cout<<"分配堆内存失败!"<   }
   char * pC4=(char*)pV4;
   printf("第四次堆分配=%x/n",pC4);
   MEMORYSTATUS memStatus9;
   GlobalMemoryStatus(&memStatus9);
   cout<<"分配堆内存后："<   cout<<"减少物理内存="<   cout<<"减少可用页文件="<   cout<<"减少可用进程空间="<   SIZE_T len=HeapSize(hHeap,0,pV4);
   cout<<"len="<   bool re=HeapDestroy(hHeap);
   if(re==false)
   {
      cout<<"释放堆失败!"<   }
   MEMORYSTATUS memStatus8;
   GlobalMemoryStatus(&memStatus8);
   cout<<"释放堆后："<   cout<<"增加物理内存="<   cout<<"增加可用页文件="<   cout<<"增加可用进程空间="<结果如下：

如所猜想一样，释放了120M内存。
   获取所有堆：
   DWORD GetProcessHeaps(DWORD 数量，PHANDLE 句柄数组)
“数量”是你想获取的堆数目；
“句柄数组”是获得的堆句柄。
   默认堆也可以获取。
   HANDLE handles[10];
   memset(handles,0,sizeof(handles));
   GetProcessHeaps(10,handles);
   for(int i=0;i<10;i++)
      cout<<"堆"<结果如下：

可以看见，一共有8个堆，堆1是默认堆，堆7和堆8是本文建立的堆。另外5个不知来源。
验证堆：
   BOOL HeapValidate(HANDLE 堆句柄，DWORD 选项，LPVOID 内存块地址)
“选项” 可为0或HEAP_NO_SERIALIZE；
“内存块地址”为NULL时，验证所有内存块。
   C++程序如下：
   HANDLE handles[10];
   memset(handles,0,sizeof(handles));
   GetProcessHeaps(10,handles);
   for(int i=0;i<10;i++)
   {
       cout<<"堆"<       if(HeapValidate(handles[i],0,NULL))
          cout<<"验证堆成功!"<       else
          cout<   }
结果如下：

   合并内存块：
   UINT HeapCompact(HANDLE 堆句柄，DWORD 选项)
“选项” 可为0或HEAP_NO_SERIALIZE；
   此函数可以合并空闲内存块。
   其他函数：
   HeapLock和HeapUnlock 通常是系统使用的；
   HeapWalk可以遍历堆内存，需要以上两个函数。

·C++内存函数
Malloc和Free这是C语言使用的函数，只能从默认堆中分配内存，并且只是分配内存，不能调用构造函数，且只是按字节分配，不能按类型分配。
New 和Delete这是C++语言使用的函数，默认情况下从默认堆中分配内存，但是也可以通过重载New函数，从自建堆中按类型分配；同时可以执行构造函数和析构函数。它底层是通过HeapAlloc和HeapFree实现的。 依赖于编译器的实现。
GlobalAlloc 和GlobalFree这是比HeapAlloc和HeapFree更慢的函数，但是也没有比它们更好的优点，只能在默认堆中分配；16位操作系统下利用它们分配内存。
LocalAlloc和LocalFree
在WindowsNT 内核里，和GlobalAlloc、GlobalFree是一样的。

·一个例子
默认情况下，New关键字是利用HeapAlloc在默认堆上建立对象。本文重载了类的New方法，使得类在自己的堆中存放，这样可以与外面的对象隔离，以免重要的数据结构被意外破坏。由于类中的成员变量是在堆中存放，因此不局限于线程堆栈的1M空间。
C++程序如下：
class AllocateInOtherHeap
{
public:
   AllocateInOtherHeap(void);
   ~AllocateInOtherHeap(void);
   void* operator new(size_t size);
   static HANDLE heap;
public:
   //类对象唯一所需的空间
   int iArray[1024*1024*10];
   AllocateInOtherHeap::AllocateInOtherHeap(void)
   {
      cout<<"AllocateInOtherHeap()"<      //如果New函数没有分配够空间，那么此处会出现访问违规
      memset(iArray,0,sizeof(AllocateInOtherHeap));
      iArray[1024]=8;
   }
   void* AllocateInOtherHeap::operator new(size_t size)
   {         
      if(heap==NULL)
         heap=HeapCreate(HEAP_NO_SERIALIZE|HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS,1024*1024*10,0);
      //分配足够这个类对象的空间
      void* p=HeapAlloc(heap,0,sizeof(AllocateInOtherHeap));
      cout<<"堆的大小="<      printf("AllocateInOtherHeap堆地址=%x/n",heap);
      printf("AllocateInOtherHeap返回地址=%x/n",p);
      return p;
   }
   AllocateInOtherHeap::~AllocateInOtherHeap(void)
   {
      cout<<"~AllocateInOtherHeap"<   }
   void AllocateInOtherHeap::operator delete(void* p)
   {         
      HeapFree(heap,0,p);
      HeapDestroy(heap);
      cout<<"delete()"<   }
};
结果如下：

可见，new函数先分配够空间，然后才能初始化对象变量；而delete函数得先做析构，才能释放空间。对象保存在堆外，因为大于512K；对象大小刚好是iArray变量的大小。
注意，如果没有分配足够的空间，虽然你可以得到对象指针，但是你访问数据时可能会出现访问违规，如果没出现，那更惨，意味着你读写了别人的数据。